基于有限元分析研究CLD值對車門關閉力的影響

汽車工業經過快速發展，目前已經在各國經濟中逐漸扮演起了支柱產業的角色。各個主機廠都在持續致力于優化自身產品的質量，而車門關閉力又是客戶最為關注的質量問題之一。近年來，車門關閉力的研究也逐漸受到學術界和業界的廣泛關注。影響車門關閉力的因素有很多，包括密封條、內間隙、鉸鏈、門鎖、限位器以及空氣壓阻等。其中密封系統和空氣壓阻的相關研究占了很大比重，但由于空氣壓阻的優化實現較難且可能造成其他負面影響，所以優化密封系統中密封條的參數或形狀成為了目前研究的重點方向，如WagnerDA等[1]、Hyung-ilMoon等[2]均通過構建密封條幾何模型和仿真，對密封條參數進行了有效優化。

CAE（ComputerAidedEngineering）技術又稱計算機輔助工程技術，是由研究學者為解決工程中的許多問題而建立起來的一種研究問題的方法，其中的有限元分析技術歷經幾十年的研究摸索，已經逐步成為解決工程問題最有效的方法之一。在眾多有限元分析軟件中，Abaqus因其多樣的功能和廣泛的應用領域而備受青睞。如吳文濤等使用Abaqus對密封條進行了有限元模型建立，對密封條的應力場分布進行了分析。為了更好地優化車身質量，以滿足客戶需求，本文使用Abaqus軟件對奔馳某車型進行了有限元分析，來研究密封條CLD值與車門關閉力之間的關系。

幾何模型的建立

本文針對密封條變形時的非線性特性選擇合適的本構模型，利用Abaqus軟件建立奔馳某車型車門旋轉關閉過程中密封條的壓縮工況二維平面仿真模型。

1.密封條幾何模型建立

車頭道密封條由三部分構成：海綿橡膠、密實橡膠以及骨架。其中海綿橡膠（泡管）主要用來承受由于車門關閉產生的壓縮載荷，同時消除車門與側圍間的斷差間隙，通過與鈑金或者裝飾件配合，利用受壓后產生的力達到密封作用；鋼帶骨架用于保持密封條的形狀和卡緊在其他連接體上，比如側圍門框。

使用Abaqus軟件導入密封條各部分的幾何模型，并依照實際工況中的裝配關系進行密封條裝配平面仿真模型的建立，結果如圖1所示。

2.密封條裝配幾何模型建立

在車輛關門特性研究當中，汽車左前門的關門特性是具有代表性的。因此，本文采用1/4白車身和左前門車門總成，進行有限元模型的搭建。

模型搭建完成后，需要對模型進行邊界條件的設置。關門過程的輸入條件即為關門初速度，旋轉軸選取上下鉸鏈中兩個中心點所構成的旋轉軸，方向為負方向，關門初速度設定為-1.26rad/s，車門開度設置為 。然后進行分析步的設置，將分析類型選為顯式動力學分析，分析時長1s，最大增量步0.001，并建立Z軸負方向的重力加速度模擬真實實驗狀態。

網格單元的尺寸會直接影響分析過程的耗時和整個模型的準確性，本文中車門和車身側圍部分網格大小均為 8 m m ，選取所有需要劃分網格的板件統一進行劃分，網格劃分完成后檢查網格的質量并對質量差的網格進行優化。劃分好的1/4白車身、左前門總成模型如圖2所示。

進行有限元模擬時，為了最大程度對現實中的工作條件進行還原，需要在劃分網格后進行屬性和材料參數的賦予，在本文的分析中，需要對車門和車身、玻璃、焊點和膠進行材料屬性的賦予，材料參數見表1。

結果分析

在研究膠皮條CLD值對車門關閉力的影響時，考慮到密封條影響關門力是通過改變其在受壓狀態下的密封反力來實現的，而且密封反力也是研究靜態關門力時的主要考察對象，所以此部分中使用密封反力來代表關門力進行分析。

考慮到變截面密封條的分段原則，且長度較大的密封條三維模擬仿真時難度較大，本文采用區間疊加的擬合方法來進行頭道密封條的車門密封反力模擬，如圖3所示，車門密封系統基于曲率特性被分成了八個部分。采用此種分段方法可以減少網格數量從而提高仿真的計算效率，且有利于計算精準性的提升。在計算最終的密封反力時，將此八個部分的密封反力相加即可得到最終結果。

實際生產時，一般使用的膠皮條CLD值范圍是（ 5 . 1 ± 2 ）N，根據此范圍選用了十個不同的CLD值建立模型進行分析，這里選取了其中的四組數據進行展示。對使用不同CLD值密封條的車門及側圍建立分析模型并進行計算后，得到頭道密封條的應力仿真結果。分段密封反力模擬結果和總計結果見表2?？梢钥闯?，隨著密封條CLD值的增加，車門各個分段以及總密封反力都呈現上升的趨勢。平直段（ ② 、 ④ 、 ⑥ ，⑧ ）和大曲率段（ ① 、 ③ 、 ⑤ 、 ⑦ ）的密封反力存在差異，這是由于近似平直段在車門關閉過程中，鈑金壓縮方向恒定，最終壓縮量偏差不大，而如A柱、B柱拐角段的大曲率安裝輪廓不僅會導致密封膠條產生裝配變形與應力，而且會改變鈑金壓合方向，進而產生差異。

將十個不同CLD值的密封條計算出的總密封力繪制成曲線，如圖4所示。

從上述模擬結果可以看出，隨著密封膠條的CLD值逐漸升高，車門關閉力也會呈現總體上升的趨勢，且在CLD處于約 1 3 . 1 ～ 4 . 8 N 和 1 5 . 9 ～ 7 . 1 N 時，車門關閉力隨著CLD值增長較快，而在 4 . 8 ～ 5 . 9 N 時，車門關閉力趨于平穩。所以選擇CLD值為 4 . 8 ～ 5 . 9 N 的膠皮條為最優選擇。

實際生產中使用BeDa設備進行關門力測量，其測量單位為設備的伸長長度，單位為mm。使用此設備對模擬得出的結論進行驗證，結果表明，該車型在使用模擬得出的最佳CLD值范圍 4 . 8 ～ 5 . 9 N 時，其車門關閉力符合奔馳質量部制定的某車型關門力標準（30～ 1 1 0 m m? ），且關門力處于合格范圍內的最佳穩定中值狀態（ 6 0 ～ 8 0 m m） 。故在實際生產該車型時，為保證客戶車關門力的穩定性，膠皮條的CLD值選擇在4.7～ 5 . 8 N 范圍內為最佳。該擬合結果可用于指導該車型生產，且對其他車型具有重要借鑒意義。

結語

本文以奔馳某車型為例，通過有限元分析方法精確模擬出了車門在關閉過程中的應力分布，得到了車門關閉力隨著密封條CLD值變化的趨勢。根據CLD-車門關閉力曲線確定了該車型最佳的膠皮條CLD值范圍4 . 8 ～ 5 . 9 N ，并結合奔馳某車型實際生產中的質量考核標準進行了驗證，結果表明在此范圍內，該車型車門關閉力處于最穩定的中值狀態。

參考文獻：

[1]WagnerDA，MormanKN，GurY，etal.Nonlinearanalysis of automotive door weatherstrip seals[J].FiniteElementsinAnalysisamp;Design，1997，28（1）：33-50

[2]MoonH，KimH，KimDH，etal.Predicted minimumdoor-closing velocity based ona three-dimensionaldoor-closingsimulation[J].FiniteElementsinAnalysisamp;Design，2011，47（3）：296-306.

[3]吳文濤，葉子波，黃興.有限元分析法在工程密封件設計上的應用[J].潤滑與密封，2007（11）：177-180.AUTO1950