垃圾轉運集裝箱密封條的結構優化分析

黃長纓

（上海環境物流有限公司，上海 200033）

隨著城市化進程的加快，城市生活垃圾的產生量迅速增大[1]。生活垃圾需要應用集裝箱進行轉運，由于垃圾液的腐蝕以及轉運中各種工況的影響，會導致垃圾轉運集裝箱出現漏液現象，而密封條在集裝箱密封中起關鍵作用。

集裝箱用密封條是典型的壓縮型密封條，在與尾門相互作用的過程中顯現出復雜的力學特性，設計階段需著重考慮其壓縮負荷，以便滿足設計要求[2-3]。國內外已有學者使用有限元分析軟件對密封條結構進行優化設計。蔣明明[4]將遺傳算法和神經網絡相結合，得出密封條的結構設計參數與壓縮負荷、應力等的非線性全局映射關系。付治存[5-6]利用Ansys有限元分析軟件對密封條進行結構分析，通過對密封條的結構尺寸重新設計以及對應力變形進行計算，最終使密封條的壓縮負荷滿足設計目標要求。陶志軍等[7]利用MSC和Marc非線性有限元軟件模擬車窗密封條亮條與本體的安裝過程，發現網格處理方法對密封條的模擬結果有著顯著影響，并通過與3D模型和成品試驗對比，調整設計密封條的圓角處網格尺寸，同時對其接觸部位的網格尺寸及質量進行嚴格控制，得到了較好的模擬結果。馮新建等[8]基于Ansys有限元分析軟件，以某一車型的車門密封體為例，借助于非線性有限元運算技術對汽車密封條設計展開了深入分析，并實現了將密封條的壓縮力限制于（2.5±1.5） N的區間內，達到了規定的設計技術要求。胡強等[9]針對傳統有限元模擬難以同時對密封條泡狀管結構的多個參數進行優化的問題，提出了聯合Sculptor，Abaqus，Meta和Isight等軟件的多目標優化方法，綜合考慮密封條泡狀管的壁厚和寬度兩個參數的相互影響，得到了壓縮負荷與接觸寬度優化的密封條泡狀管結構。謝貴山等[10]通過Marc軟件分析車身側密封條的斷面壓縮變形與壓縮力曲線，根據壓縮力峰值優化密封條的斷面形狀，從而減小密封條的壓縮力，并通過關門速度試驗，驗證所設計的密封條滿足設計要求。王斌等[11]對車門密封條的斷面進行了優化設計，并利用CAE軟件進行理論分析，通過對密封條的斷面優化設計和車門內間隙的調整，成功優化了某款轎車車門的關閉力。W.F.ZHU等[12]利用有限元軟件模擬汽車密封條在壓縮過程中的變形狀態，并應用Mooney-Rivlin模型對密封條進行了材料結構改進，得到性能優良的密封條。劉紅波等[13]探討了兩種轎車尾門密封條的防漏水設計方法以及尾門的漏水問題解決方法，通過實例對密封面輪廓突變引起的漏水問題進行分析，并運用有限元仿真方法，對密封條的截面進行了優化設計，為尾門密封結構的工程設計和優化提供了有效方法。王曉輝等[14]針對某裝備駕駛門密封結構特點，研究密封條幾何設計參數對密封性能的影響，選取駕駛門密封條的截面參數作為設計變量，對密封條的靈敏度進行分析，并建立密封條的接觸壓力與幾何截面參數之間的關系，基于分析結果，完成了密封條的幾何構形改良設計，給出了滿足工程要求的設計方案。

本研究密封條為上海市虎林路碼頭濕垃圾轉運集裝箱用熱塑性聚酯彈性體（TPEE）密封條，該垃圾轉運集裝箱為車船兩用集裝箱，因此密封條所處環境惡劣，需要較大的壓縮負荷，對密封條的材料和構形等要求也高。本研究結合有限元分析軟件對垃圾轉運集裝箱尾門處密封條進行優化設計與分析，對密封條的結構以及形狀進行改進，以提高密封條的耐久性能和降低密封條的綜合成本。

1 模型建立

1.1 幾何模型

原密封條的截面包括呈山峰狀的上層部分以及帶倒角的下層部分，中間開有一個矩形槽，矩形槽的四角為直角，兩側邊有倒刺形狀的凸起，共10個倒刺，密封條的實物如圖1（a）所示。測試得出密封條的總寬度為40 mm，總高度為54 mm，上層部分的最低端距離矩形槽的頂端為10 mm，矩形槽的尺寸為24 mm×16 mm，倒刺高度為4 mm，應用繪圖軟件繪制的密封條的結構如圖1（b）所示。

1.2 材料模型

由于超彈性材料具有多重非線性的特點，為計算求解方便，在對TPEE制品的應力與應變分析中，用Mooney-Rivlin模型來描述TPEE材料的超彈性特性。

本工作用應變能密度函數（W）來表征超彈性材料的特性，對其求應變分量的一階導數，用式（1）表示[15]：

TPEE材料具有不可壓縮性，當其受到外負荷時體積不變，受力前后的體積比為1：1，即J＝1。

根據單軸拉伸試驗，可得出TPEE材料的變形和所受負荷的變化關系，由該變化關系計算出一系列伸長率λ1和與其對應的應力σ1，再根據λ1和σ1計算出式（14）中的X和Y，并通過Matlab軟件擬合式（14）直線，則C10為該直線的截距，C01為該直線的斜率，因此可對密封條的材料屬性進行設置。

1.3 邊界條件及網格劃分

模擬集裝箱門的關閉過程，需充分考慮邊界條件及接觸關系。本試驗密封條采用TPEE材料，接觸類型為摩擦接觸，在箱門關閉過程中會通過TPEE材料的擠壓以及摩擦接觸來實現車門的關閉[16-19]。以原密封條作為基準進行分析，仿真試驗將箱體位置固定，只對箱門進行移動，將箱體和箱門設置為結構鋼材料，然后進行接觸設置，仿真分析中將箱門與箱體的距離設置為14 mm，箱門的位移為6 mm，即密封條的壓縮量為6 mm，將密封條與箱體和箱門間的接觸設置為摩擦接觸，且有4對摩擦接觸對。

通過測量原密封條的實際尺寸，建立其幾何模型并建立材料模型，其中C10和C01分別取0.28和0.06。密封條的材料模型建立后進行網格劃分。原密封條模型的網格劃分如圖2所示。

為驗證節點數對有限元分析的影響，選取5處應力較集中的點對密封條進行網格劃分（見圖2）。倒刺部分采用0.1 mm網格，其他部分采用2 mm網格，并分別取上下浮動10%的網格尺寸精度進行計算。本工作分別取1.8（0.09），2.0（0.10）和2.2（0.11） mm的3種網格尺寸（倒刺網格尺寸）對密封條進行網格劃分，密封條的應力云圖如圖3所示，網格獨立性分析結果如圖4所示。密封條的網格尺寸（倒刺網格尺寸）為2.0（0.10） mm時，其上下浮動10%，密封條的應力變化不超過6%，滿足網格獨立性要求。

2 密封條的有限元分析

2.1 原密封條的性能分析

通過對原密封條進行網格劃分、接觸設置、負荷加載和約束設置等操作并進行仿真試驗得到原密封條的應力和應變云圖，如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，原密封條上層頂點以及中間最低端處的應力較大，局部達到了5.831 MPa，經過長期開關門的作用以及垃圾液的腐蝕，這些應力較集中的地方會發生龜裂，從而導致密封不嚴，縮短了密封條的使用壽命。

從圖5（b）可以看出，靠近箱門密封條底部的過盈量較小，而接近密封條出口位置的過盈量相對較大，密封條的接觸長度為29.1 mm，即壓縮后密封條出口位置的接觸長度小，存在接觸不夠，且密封條頂端有兩個突起頂峰，中間凹陷部分容易夾帶雜物。

因此，基于對原有密封條的應力與應變分析，其優化準則為在保證單位長度密封條提供的最小接觸力達標的情況下，增大密封條的接觸長度、減小密封條的內應力以及適當調整過盈應力大小和分布。

2.2 密封條的結構優化

2.2.1 截面設計

密封條的截面壓縮變形仿真分析采用Ansys有限元分析軟件進行，并應用草圖繪制軟件對密封條的截面形狀進行設計。根據原密封條的受力情況和實際使用情況，共設計了3種截面形狀的密封條，如圖6所示。1#方案將原密封條內的矩形槽分為上部為橢圓和下部為梯形的組合結構，且對應力集中部分進行倒圓角；2#方案將原密封條內的矩形槽分為上部2個橢圓和下部1個梯形的組合結構，并使鏤空部分盡可能圓滑，以減少應力集中；3#方案將原密封條內的矩形槽分為上部為帶圓弧的梯形槽和下部為矩形槽的組合結構，且各轉角倒圓角，盡可能減少應力集中。

2.2.2 初步優化方案

將3種初選方案簡化分析，即取其截面進行應力與應變有限元分析，1#—3#方案密封條的壓縮變形云圖如圖7所示。

對1#—3#方案密封條進行仿真分析可得，其最大應力分別為4.62，2.44和5.78 MPa，平均內應力分別為0.31，0.69和0.45 MPa，接觸長度分別為47.5，41.5和32.3 mm，橫截面積分別為1 375.4，1 541.5和1 338.7 mm2。

2.2.3 1#方案的二次優化

由仿真結果可得：2#方案密封條的最大應力雖然較小，但橫截面積大，綜合成本較高；3#方案密封條的各項性能指標都相對較差。綜合考慮經濟性和力學性能，1#方案密封條更符合設計要求。

影響密封條壓縮負荷的因素有很多，包括材料的硬度、唇邊的厚度、凹槽的形狀以及結構尺寸等，通過對密封條進行密封性能分析，加載負荷為密封條表面的壓力和箱體的位移約束，在1#方案的基礎上產生了以下3種優化設計方案。

（1）增大密封條的總寬度和總高度，減小上層厚度（方案1）。具體為將密封條總高度增大為58 mm，總寬度增大為44.11 mm，橢圓孔尺寸設為28 mm×14 mm，上層厚度減小為5 mm，中間層厚度設為5.5 mm，下層厚度設為9.5 mm。方案1密封條的截面如圖8（a）所示。

（2）增大密封條的總寬度、總高度和上層部分橢圓孔長徑（方案2）。具體為將密封條上層寬度增大為50 mm，總高度增大為58 mm，橢圓孔尺寸設為38 mm×14 mm，下層厚度增大為9.5 mm，中間層厚度設為5.5 mm，上層厚度減小為5 mm，且下孔改為帶圓角的梯形。方案2密封條的截面如圖8（b）所示。

（3）增大密封條的總高度、總寬度、下層寬度和下層厚度，減小中間層寬度（方案3）。具體為將密封條的總高度增大為58 mm，總寬度增大為44.11 mm，上橢圓孔尺寸設為24 mm×14 mm，上層厚度減小為5 mm，下層厚度增大為9.5 mm，中間層厚度設為5.5 mm，中間層寬度設為28 mm。方案3密封條的截面如圖8（c）所示。

通過仿真分析可得，方案1—3的接觸長度分別為42，35和46 mm，平均內應力分別為0.35，0.29和0.29 MPa，最大內應力分別為3.15，3.88和3.09 MPa，橫截面積分別為1 329.8，1 378.6和1 382.1 mm2。

2.3 優化密封條的性能評價

通過仿真結果可知：方案2密封條的性能較差，橫截面積也較大；方案3密封條的最大內應力和接觸長度與方案1密封條相差不大，但是橫截面積比方案1密封條大52.3 mm2。綜合性能與成本考慮，方案1密封條最符合要求。

對比優化前后密封條的仿真數據可得，優化密封條的最大內應力減小了46.0%，平均內應力增大了12.9%，在接觸力降低5%的情況下接觸長度增大了44.3%，橫截面積減小了3.5%。優化密封條的應力和應變云圖如圖9所示。

對圖9（a）和5（a）分析得出，優化密封條的接觸應力比原密封條減小了60.2%。

3 裝載運行效果

密封條的實際裝載狀態如圖10所示。原密封條裝載使用6個月后產生嚴重的非壓縮變形現象，甚至產生局部龜裂，進而出現密封不嚴、垃圾液漏出情況，如圖11所示。

圖12為優化密封條使用6個月后的截面實拍圖，其基本沒有出現非壓縮變形和龜裂現象，在各種轉運工況下也未出現垃圾液漏出情況，很好地解決了原密封條存在的漏液問題。

4 結論

本工作通過Ansys有限元分析軟件對密封條進行了受力變形分析和截面優化設計，針對密封條的實際轉運工況進行了二次優化設計，并對優化前后的密封條進行了實際裝載運行試驗，得出結論如下。

（1）原密封條存在接觸長度小和內應力大的問題。

（2）通過優化設計密封條的幾何結構和尺寸，優化后密封條的接觸長度增大了44.3%，最大應力和接觸應力分別減小了46.0%和60.2%。

（3）優化密封條裝載后使用時間長，不易變形，解決了垃圾轉運集裝箱漏液問題，其綜合使用成本較低。