基于有限元的外水切結構優(yōu)化設計

姚 宇

（華晨汽車工程研究院閉合件工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

外水切，在汽車中起到密封、隔音、防塵、減震、裝飾、對車門玻璃導向等作用。在工廠批量生產過程中，外水切的裝配性能直接影響了車間的生產節(jié)拍以及產品的裝配質量。

圖1　問題圖片

某車型的外水切在工廠裝配過程中，出現(xiàn)了水切唇邊卷邊的現(xiàn)象，如圖1所示。為查找問題的原因，本文利用有限元分析的辦法對外水切的裝配過程進行模擬。

1　外水切裝配過程分析

問題車型的外水切固定方式為螺釘連接，根據(jù)車間工藝卡可知，外水切安裝過程為：

圖2　

圖3　外水切與車門鈑金形狀對比

車門造型為追求流線效果，通常在腰線位置設計為Y向為圓弧形狀，而外水切實際生產過程中，為了降低成本，通常在Y向不增加拉彎工藝，如圖3所示。

外水切在安裝過程中，由于鈑金的強度遠大于外水切強度，通過車門鈑金止口強制改變外水切形狀，使外水切裝配后呈現(xiàn)與車門一致的流線效果。在打緊螺釘之前，外水切兩端與車門鈑金存在Y向縫隙，外水切最外側唇邊（圖4）與車門鈑金不貼合。在螺釘打緊的過程中，外水切發(fā)生轉動，裝配過程復雜，當唇邊導向不明顯時，極易出現(xiàn)卷邊問題。

圖4　螺釘打緊前外水切端部狀態(tài)

2　外水切裝配過程有限元分析

Abaqus作為一款有限元分析軟件，適用于非線性問題分析。外水切唇邊材質通常為PVC，在裝配過程中受力產生較大變形，屬于典型的非線性形變問題。由于三維模型分析工作量較大，而經過以往項目長期的驗證，典型結構的二維斷面分析結果與三維分析基本一致，通常情況下可以使用二維斷面代替三維結構進行分析。因此，本文選用外水切端部位置典型斷面代替三維模型進行分析。同時，為進一步減少計算量，對外水切斷面進行簡化，簡化掉不影響裝配效果的結構，如圖5所示。

圖5　外水切簡化模型

將外水切斷面導入到Abaqus中，選擇本構模型為Ogden模型，輸入材料的應力應變曲線值。根據(jù)實際工況對外水切和車門鈑金進行裝配，按照旋轉+逼近的裝配過程設定分析步和邊界條件。運行軟件進行仿真分析，結果如圖6所示，從圖中可以看出，外水切端部在正常裝配時，有出現(xiàn)唇邊卷邊的風險。因此，需要對外水切斷面結構進行優(yōu)化。

圖6　外水切有限元分析結果

3　外水切結構優(yōu)化及驗證

結合圖6分析結果，對外水切唇邊結構進行分析，如圖7所示，外水切唇邊形狀為半徑為R的圓弧，車門鈑金與圓弧半徑的角度為α，在外水切螺釘打緊過程中，外水切發(fā)生轉動，圓心位置發(fā)生變化，角度α逐漸減小，通過仿真分析可知，角度α越小，接觸時發(fā)生卷邊的風險就越大。

圖7　外水切卷邊原因分析

考慮到零件的制造誤差以及人工裝配不確定因素較多，問題水切的唇邊結構存在較大風險。為徹底解決此問題，將外水切唇邊做導向結構，即將唇邊圓弧做成反弧形狀，如圖8所示。

圖8　優(yōu)化后外水切唇邊形狀

將優(yōu)化后的外水切斷面導入Abaqus，按照相同的邊界條件進行分析，結果如圖9所示。通過有限元分析進行驗證，可知優(yōu)化后的斷面規(guī)避了唇邊卷邊問題。

圖9　優(yōu)化后外水切有限元分析結果

4　結論

車門外水切作為具有外觀功能的零件，裝配性的好壞直接影響外觀效果。在設計前期充分利用 Abaqus有限元分析軟件進行仿真，結合零件的實際工作邊界條件，能夠有效的規(guī)避許多設計原因產生的問題。本文只是 Abaqus在密封系統(tǒng)設計中應用的一例，旨在為以后的結構設計提供一種新思路、新方法。

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