車門密封條壓縮力的仿真與實驗研究

馬天兵，周 青，蔣明明，謝有浩

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽獵豹汽車有限公司，安徽 滁州 239000)

福特公司的一份測試報告顯示，車門密封條壓縮阻力占整體車門關(guān)閉能量的30%～50%[1]。在車門關(guān)閉過程中，當(dāng)密封條相對門框逼近時受到擠壓發(fā)生變形，變形過程中產(chǎn)生壓縮反力，是阻礙車門關(guān)閉的主要因素。密封條安裝到車門上，在車門關(guān)閉的情況下會承受一定的壓縮負(fù)荷。密封條材料的非線性、壓縮后的結(jié)構(gòu)形狀以及壓縮負(fù)荷在密封條內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力等因素對密封條的隔聲性能都有一定的影響[2]。李歡[3]借助非線性有限元Msc.Marc軟件研究了汽車車門密封條起皺分析及優(yōu)化。確定原設(shè)計存在裝配困難的問題，并提出了相應(yīng)的簡化方案。在模擬車身對密封條的壓縮過程中，利用Marc有限元建模，將密封條模型可轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變問題。本文對車門密封條壓縮力的研究，將有助于改善車門系統(tǒng)的性能，同時為改進(jìn)密封條截面設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1 車門密封條壓縮力分析

在車門關(guān)閉過程中，研究表明密封條壓縮力的能量消耗最大，是車門啟閉便捷性重要影響因素。故需要對密封條變形過程分析其壓縮力的情況。

由實踐經(jīng)驗及研究測試情況知，密封條壓縮過程中受到不同部件的接觸，主要有三種受力情況，其受力分析示意圖如圖1所示。

圖1 密封條受力分析示意圖

由圖1知：密封條與車門鈑金四周接觸的大多數(shù)位置，主要受法向力F1；對于車門后部分，主要受擠壓作用力F3，會促使密封條產(chǎn)生彎矩變化；在于車門平直上方，車門關(guān)閉過程中會受繞鉸鏈轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)作用，此時密封條擠壓變化時同時承受法向力F1與剪切力F2，兩種力作用的結(jié)果促使密封條變形產(chǎn)生“摩擦翻搓”的效果。綜合受力情況與實際測試，車門關(guān)閉過程中密封條受力變形最主要受到法向力F1作用。故本文有關(guān)車門密封條的壓縮力計算中，主要研究的是車門鈑金使密封條壓縮變形的法向力。

2 密封條壓縮力的仿真分析與試驗

2.1 密封條橡膠材料特性研究

密封條是對汽車某些部件周圍間隙進(jìn)行密封的橡膠件。密封條材料具有一系列優(yōu)異的性能，如最顯著的物理特性是在較小應(yīng)力作用下發(fā)生很大的變形。一般情況下，橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變的非線性特征明顯， 其最大伸長量范圍是500%～1 000%，故只有在小應(yīng)變范圍內(nèi)，才能定義楊氏模量(曲線正切值表示)，而其值僅在1.0MPa數(shù)量級。所以，橡膠與一般堅硬固體之間存在較大的差別。

橡膠是典型的超彈性材料，在力的作用下會發(fā)生非線性彈性變形，其靜態(tài)特性具有情況如下：(a)相對較低的伸長模量與剪切模量；(b)相對較高的伸長率，通常能在拉伸至500%情況下不會發(fā)生永久變形；(c)類比于小變形的金屬，表現(xiàn)出高度的非線性特性，且不滿足胡克定律關(guān)系。

本文對密封膠條壓縮力的求解，采用商業(yè)非線性仿真計算分析軟件Marc，該軟件表示橡膠材料力學(xué)性能一般使用應(yīng)變能密度函數(shù)的形式。當(dāng)運(yùn)用這些軟件進(jìn)行仿真與計算時，需要輸入橡膠材料相應(yīng)地力學(xué)性能常數(shù)，即應(yīng)變能密度函數(shù)參數(shù)。由文獻(xiàn)[2]知，軟件中提供的Foam模型是反映密封膠條材料力學(xué)性能最適合的本構(gòu)模型， 該模型適用于變形大的、高度非線性的彈性材料，同樣可用于可壓縮的橡膠材料，能夠準(zhǔn)確反映橡膠的材料特性。因此，本文選用該模型進(jìn)行后續(xù)的仿真計算，該模型表達(dá)式見式(1)。

(1)

式中：λ1，λ2，λ3為主伸長比；αi，ui為與溫度相關(guān)的材料常數(shù)；βi為依賴于溫度的材料常數(shù)；αi，uiβi其值根據(jù)海綿橡膠材料的單軸拉伸、平面剪切及體積試驗數(shù)據(jù)確定；J為彈性體積比，J=λ1λ2λ3[4]。

2.2 Marc軟件非線性仿真分析求解過程

密封條作為一種橡膠件，屬于超彈性材料，壓縮過程表現(xiàn)出高度的非線性行為，在拉伸、剪切和壓縮載荷作用下的力學(xué)特性是彈性、粘性、Mullins效應(yīng)共同作用的結(jié)果[5]。本節(jié)用Marc軟件對密封條壓縮過程進(jìn)行有限元分析研究，以測得車門密封條的壓縮力。首先，從CAD數(shù)據(jù)得到密封條仿真分析的幾何模型；然后，將幾何模型導(dǎo)入Marc軟件中生成密封條未變形時的二維有限元模型圖，即密封條斷面幾何模型，如圖2所示。

圖2 密封條斷面幾何模型

整個仿真過程分成兩個步驟，其一是模擬車門對密封條的裝配過程，其二是模擬車身對密封條的壓縮過程[6]，考慮密封條的實際幾何尺寸情況，由于在長度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其他方向的幾何尺寸，可假定密封條所受外界載荷是平行于結(jié)構(gòu)的橫截面，同時在長度方向上均勻分布；因此，密封條模型可轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變問題。根據(jù)Marc軟件的有限元程序，建立好基于固定位移及選定粘著——滑動摩擦模型的邊界條件。有限元仿真分析選用四邊形單元，同時為了保證在密封條厚度方向與表面接觸區(qū)域能夠進(jìn)行足夠的網(wǎng)格細(xì)分，單元尺寸一般選0.3～0.7mm，取0.4mm。Marc有限元建模的參數(shù)見表1，分析結(jié)果如圖3所示。

表1 有限元建模參數(shù)定義

圖3 有限元分析結(jié)果圖

從圖3可以看出，在模擬車身對密封條的壓縮過程時，車門關(guān)閉過程中會受繞鉸鏈轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)作用擠壓密封條，此時密封條發(fā)生明顯的形變位移，有限元分析結(jié)果圖中紅色區(qū)域在壓縮變形過程中產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，而其他區(qū)域基本上沒有紅色區(qū)域，壓縮負(fù)荷較小。

2.3 密封膠條壓縮負(fù)荷實驗

進(jìn)行密封條壓縮實驗前，需控制好室內(nèi)的實驗環(huán)境。密封條壓縮負(fù)荷實驗的測試件與裝置，如圖4所示。

圖4 密封條壓縮負(fù)荷實驗裝置

實驗裝置安裝有位移和力傳感器，其壓縮行程與速度由計算機(jī)控制。車門鈑金工裝水平安裝于工作平臺上，其上安裝密封條樣件。同時，車門鈑金工裝水平安裝于材料試驗機(jī)上工作平臺。實驗過程中，車門鈑金工裝以設(shè)定的速度豎直向下壓縮密封條。由計算機(jī)讀取壓縮力數(shù)據(jù)，并繪制出壓縮負(fù)荷特性曲線，如圖5所示。

壓縮量/mm圖5 實驗壓縮負(fù)荷特性曲線

可以看出，壓縮反作用力隨著密封條壓縮量的增大而增大，呈非線性變化，密封條在壓縮過程中與側(cè)圍鈑金相互接觸，壓縮量過大，會導(dǎo)致壓縮負(fù)荷增加；壓縮量過小則會降低車門的密封性。

2.4 仿真與實驗結(jié)果對比分析

密封條壓縮負(fù)荷曲線的仿真結(jié)果與實驗所得數(shù)據(jù)對比曲線如圖6所示。由分析結(jié)果可知，兩者誤差很小，且誤差均在6%以內(nèi)?？紤]到工程實際應(yīng)用情況，如密封條上排氣孔因素，導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果存在一定誤差。

圖6 實驗與仿真結(jié)果對比圖

由圖6可以得知，實驗曲線與仿真分析曲線基本重合，誤差很小，因此可以用Marc軟件仿真結(jié)果為基準(zhǔn)。

3 結(jié)論

車門密封條是車輛密封系統(tǒng)中重要的密封件，密封條的壓縮負(fù)荷實驗對提高車輛密封性及改善關(guān)門效果具有重要意義。

鑒于密封條屬于超彈性材料，壓縮過程表現(xiàn)出高度的非線性行為。故本文通過Marc軟件求解了密封膠條的壓縮力，同時根據(jù)實際產(chǎn)品對車門密封條進(jìn)行壓縮負(fù)荷實驗。最終，將密封條斷面進(jìn)行仿真求得的壓縮力與實驗測試結(jié)果進(jìn)行對比，得到密封條壓縮負(fù)荷曲線對比圖，驗證了仿真分析與實驗結(jié)果的一致性。結(jié)果表明，在實際的復(fù)雜應(yīng)用中，使用Marc軟件仿真求解密封條壓縮過程中壓縮力的結(jié)果是非常有效的，同時為改進(jìn)密封條截面設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。