基于非線性有限元分析的汽車密封條裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熊巧巧，何 鋒，陳啟鵬，李 屹

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

車身密封系統(tǒng)中，插拔力是評價(jià)密封條可靠性和安裝特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。良好的插拔特性要求密封條有較小的插入力和較大的拔出力，便于安裝，防止使用過程中脫落。車身不同位置鈑金厚度不同，對密封條的插拔特性產(chǎn)生影響也不同，因此，研究汽車密封條裝配結(jié)構(gòu)具有重要意義。

國內(nèi)外在密封條結(jié)構(gòu)改進(jìn)上已展開廣泛研究，文獻(xiàn)[1]借助非線性有限元分析方法,對密封條截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮負(fù)荷分析，得出在密封條幾何形狀和材料屬性真實(shí)情況下，非線性有限元方法可應(yīng)用于密封條結(jié)構(gòu)改進(jìn)[1]。文獻(xiàn)[2]借助Marc有限元分析法，對單泡管型門框密封條的插拔變形和彎曲變形的模擬分析，得出門框密封條插拔特性和彎曲特性結(jié)構(gòu)改進(jìn)的一般方法[2]。文獻(xiàn)[3]借助非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和有限元分析方法，對車門密封條的插拔特性進(jìn)行分析，得出用數(shù)值模擬方法可以有效求解密封條插拔過程中的高度非線性問題[3]。盡管一些學(xué)者在密封條插拔特性上展開了許多研究，但裝配結(jié)構(gòu)中夾持齒齒數(shù)，鈑金插拔位置和鈑金厚度等對插拔特性的影響，尚未見到文獻(xiàn)報(bào)道。

本文借助非線性有限元軟件M arc，針對某車型密封條裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，根據(jù)夾持齒齒數(shù)、插拔位置和夾持齒形等結(jié)構(gòu)因素對插拔特性的影響，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效改善了密封條的插拔特性。

1 密封條非線性有限元分析

密封條夾持部位的材料主要由密實(shí)膠構(gòu)成，該材料具有大變形、高彈性和高延展率等特性；在較小應(yīng)力作用下可以產(chǎn)生大變形，具有典型幾何非線性特征；在大應(yīng)變狀態(tài)下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈非線性，屬于材料非線性。為得到較為理想的仿真結(jié)果，本文運(yùn)用非線性有限元分析軟件Marc對該密封條裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。

圖1 密封條結(jié)構(gòu)

圖2 密封條簡化模型

1.1 幾何模型建立

某車型密封條的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由泡管狀海綿體（單管或雙管）、金屬骨架（有骨架或無骨架）、夾持齒（由密實(shí)膠組成）和裝飾條組成。密封條的長度遠(yuǎn)大于自身的高度與寬度，在受力過程中，密封條沿長度方向的變形較小，按照平面應(yīng)變問題進(jìn)行建模和計(jì)算。密封條插拔特性主要是夾持部位起作用，為便于研究，對密封條的截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，簡化模型中去掉泡管狀海綿體和裝飾條，簡化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 橡膠材料模型選擇

密實(shí)膠在受力變形中呈微可壓縮材料特性，常用的材料模型主要有Mooney-Rivilin模型[4]和Ogden模型[5]。Mooney-Rivilin模型是在橡膠材料不可壓縮及各項(xiàng)同性基礎(chǔ)上，建立起的材料模型。Ogd en模型在Mooney-Rivilin模型的基礎(chǔ)上，加入控制可壓縮項(xiàng)，直接采用主伸長率λi作為自變量，其應(yīng)變能函數(shù)定義為：

式中：N為材料常數(shù)，μn和αn為與溫度相關(guān)的材料常數(shù)，K為初始體模量，J為體積率。

由于Ogden模型能夠準(zhǔn)確的描述材料在理想狀態(tài)的不可壓縮、實(shí)際狀態(tài)的微可壓縮和可壓縮三種狀態(tài)，并真實(shí)的反映橡膠的材料特性，因此，研究選用Ogden模型作為密實(shí)膠的材料模型。

1.3 單元選擇

對于粘彈性體的橡膠材料來說，采用規(guī)則單元會(huì)導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的嚴(yán)格約束，產(chǎn)生體積自鎖問題。Herrm ann單元包含壓力自由度和位移自由度，在解決不可壓縮與微可壓縮彈性材料、小應(yīng)力或大應(yīng)變分析時(shí)，能夠取得較好應(yīng)力效果，選用全積分Herrm ann單元。

由于網(wǎng)格尺寸越小，計(jì)算結(jié)果越逼近真實(shí),在二維仿真分析中，密封條網(wǎng)格單元尺寸一般在0.3-0.7mm之間。根據(jù)密封條的幾何形狀，網(wǎng)格類型采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，單元尺寸選為0.4mm。

1.4 邊界條件確定

密封條接觸邊界條件屬于高度非線性問題。夾持部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，接觸邊界條件設(shè)置的正確與否對分析結(jié)果準(zhǔn)確性有較大影響。

密封條的夾持齒和骨架部分均為可變形體，鈑金為解析剛體。密封條的骨架完全被密實(shí)膠包覆，設(shè)置密實(shí)膠與骨架間的摩擦系數(shù)無限大，使之無相對滑移現(xiàn)象。夾持部位的夾持齒與鈑金間有相對滑動(dòng)，用粘著-滑動(dòng)摩擦模型來精確描述滑動(dòng)摩擦和模擬真實(shí)粘性摩擦。

1.5 結(jié)果分析

圖3 等效柯西應(yīng)力云圖（d=1.5mm）

圖4 等效柯西應(yīng)力云圖 （d=0.7mm）

基于密封條非線性特性，采用更新拉格朗日算法分析密封條仿真過程，計(jì)算結(jié)果為等效柯西應(yīng)力。等效柯西應(yīng)力又稱為真實(shí)應(yīng)力，其定義初始構(gòu)型與現(xiàn)時(shí)構(gòu)型，能夠準(zhǔn)確地描述材料響應(yīng)。

根據(jù)整車廠要求，密封條插拔特性試驗(yàn)中所用到的鈑金厚度為1.5mm和0.7mm。如圖3所示，鈑金厚度為d=1.5mm時(shí)，鈑金插入密封條的等效柯西應(yīng)力云圖。鈑金插入密封條時(shí)，夾持齒逐漸被壓縮，夾持齒與鈑金間產(chǎn)生粘性摩擦再產(chǎn)生滑動(dòng)接觸，應(yīng)力集中區(qū)域主要在夾持齒上。圖4為鈑金厚度為d=0.7mm時(shí)，鈑金插入密封條的等效柯西應(yīng)力云圖。鈑金插入密封條時(shí)，密封條插拔力大幅度減小，應(yīng)力集中區(qū)域與圖3相比無太大變化。

表1 插拔力計(jì)算結(jié)果

汽車在使用過程中處于振動(dòng)狀態(tài)，振動(dòng)使得車身上的密封條受動(dòng)載荷作用。在動(dòng)載荷作用下，橡膠等彈塑性材料的應(yīng)力集中區(qū)域易老化。

表1為密封條插拔力計(jì)算結(jié)果，當(dāng)鈑金厚度為1.5mm時(shí)，密封條最大插入力為42.5N/100mm和最大拔出力為157.6N/100mm；鈑金厚度為0.7mm時(shí)，密封條最大插入力為20.1N/100mm和最大拔出力為70.8N/100mm。根據(jù)汽車密封條行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T716-2004,密封條插入力Fr≤40N/100mm，拔出力Fc≥40N/100mm。該密封條最大插入力為42.5N/100mm，超過密封條插拔力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值40N/100mm，需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

表2 密封條的插拔特性參數(shù)表

圖5 密封條改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對密封條插拔特性的研究，導(dǎo)致密封條插拔力超標(biāo)的主要原因有夾持齒齒數(shù)、插拔位置、夾持齒形和鈑金厚度。經(jīng)過大量試驗(yàn)對比分析，作出以下結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將夾持齒齒數(shù)減少到4條，鈑金插入位置改為5.9mm處，在夾持齒齒形上，增大左側(cè)大齒的長度與寬度，減小右側(cè)3個(gè)小齒的長度與寬度，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

對改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行插拔特性有限元分析，結(jié)果如圖6所示，改進(jìn)后密封條的應(yīng)力集中區(qū)域與改進(jìn)前相比明顯減少。

密封條插拔力計(jì)算結(jié)果如表2所示，插入厚度為d=1.5mm鈑金時(shí)，密封條插入力減少52.7%，拔出力減少55%；插入厚度為d=0.7mm鈑金時(shí)，密封條插入力增加27.9%，拔出力增加3.7%。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的插拔力大幅度減小，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用非線性有限元分析軟件對密封條插拔特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：合理的裝配結(jié)構(gòu)有助于減少應(yīng)力集中區(qū)域，防止夾持齒老化；通過調(diào)整密封條夾持齒齒數(shù)、插拔位置和夾持齒形，可以有效改善密封條的插拔特性。

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