ANSYS 有限元技術(shù)在汽車密封條設計中的應用

馮新建， 陳建方， 周 恒， 王海建

（興宇汽車零部件股份有限公司， 浙江 臺州 317300）

引言

隨著當前我國車輛工業(yè)的快速發(fā)展以及科技事業(yè)的整體進步，人們對相關(guān)車輛的乘坐感受效果以及其減振、阻音性能等指標參數(shù)情況關(guān)注得越來越密切，這里面汽車車門密封體部件發(fā)揮出了隔音密封的保障化效能，依靠它的作用的發(fā)揮實現(xiàn)了汽車駕駛室內(nèi)和外在空間的阻斷，不但可避風、遮雨，以及阻止飛塵透進室中，增強隔聲及截熱效果，進而有效保障車內(nèi)舒適環(huán)境的維持和延續(xù)，而且可消耗掉車門等操作部件在關(guān)閉過程中產(chǎn)生的彼此碰撞沖擊作用力及車體在行進階段中發(fā)生的振動力，強化人乘坐時的舒服感。據(jù)相關(guān)資料表明，汽車門密封體的受壓縮過程所產(chǎn)生的阻滯力可占據(jù)到車門關(guān)閉時發(fā)生作用力的30%～50%，故此在對汽車車門結(jié)構(gòu)進行技術(shù)設計時應當關(guān)注于其車門密封體結(jié)構(gòu)形態(tài)對車門關(guān)閉時相關(guān)部件受到壓縮及產(chǎn)生密封等作用方面的關(guān)聯(lián)性，提前做好對其車門封閉形態(tài)及其受力變形過程的分析路徑是極為必要的。該文借助于相關(guān)程序軟件對某款車的密封體進行了分析，分析了封閉件的組成架構(gòu)、本體性能及其在封閉操作環(huán)節(jié)中的變形路徑及負荷變形等情況，且參照對應的分析結(jié)果對其封閉體結(jié)構(gòu)給出了全面的優(yōu)化方法，進而達到所設計的技術(shù)指標水平[1-2]。

1 汽車車門密封條技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

汽車車門密封體作為汽車本體的主要組成元素之一，被成功應用于汽車結(jié)構(gòu)的相應部位上，可發(fā)揮出阻音、減噪、避水、御塵及降震的效能。車門密封體種類較為繁多，依照專屬用途應當將其劃分成壓縮式密封體及滑移式密封體等。汽車門密封體是最常用的壓縮式密封體，在和車門進行嚙合的操作環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出了繁雜的力學特征，設計環(huán)節(jié)應當顧及到其進行壓縮變化時的受力強度，從而達到主機生產(chǎn)廠的配套性技術(shù)需求。

目前，國際上廣泛應用有限元運算軟件對汽車門密封條結(jié)構(gòu)做出改進設計，并且已經(jīng)獲取到了顯著的研究成效。著名專家D.A.Wagner 對密切關(guān)聯(lián)汽車門密封體密封效果的一些因素做出了深入性的探討和分析，總結(jié)出了其汽車門密封體發(fā)生承力變形時的特征圖像。著名專家付治存借助于該款程序軟件對某特定車型封閉部件實施了辯證性分析，同時將封閉材料的壓縮強度轉(zhuǎn)變成了可滿足設計標準要求的指標數(shù)據(jù)。業(yè)內(nèi)專家陶志軍等借助于非線化有限元運算軟件MSC.MARC 仿真車門密封體料條和本體的配置過程，可證實不同的網(wǎng)格處置程序?qū)ζ溥\算結(jié)果會發(fā)生明顯的關(guān)聯(lián)作用，且借助于和3D 結(jié)構(gòu)模型及成品檢測數(shù)據(jù)結(jié)果之間的對照，調(diào)配圓角區(qū)網(wǎng)格的尺寸數(shù)據(jù)[3]，并且對關(guān)聯(lián)點的網(wǎng)格參數(shù)和質(zhì)量指標做出精細化控制，從而獲取到比較理想的仿真效果。趙健先生系統(tǒng)地分析了汽車門密封體構(gòu)架有限元運算中的相關(guān)問題，并且對干擾分析精準性的有關(guān)元素做出歸納判斷，對密封體常規(guī)的變化模式做出仿真分析，并且對不符合設計標準要求的車門密封體做出了完整化的結(jié)構(gòu)改進過程。

2 車門封閉部件的內(nèi)在結(jié)構(gòu)及組成材料

2.1 內(nèi)在結(jié)構(gòu)

汽車門封閉部件均選取合成橡膠的化學成分，其化學橡膠原料是由低級烯烴及較大比例的不飽和烯烴式的共聚化合物，其是屬于乙丙橡膠族中的普通一種，是用EPDM代號來表示，由于其本身分子結(jié)構(gòu)中的主鏈結(jié)構(gòu)是由性質(zhì)相對穩(wěn)定的飽和脂肪烴所組成，僅是在其側(cè)鏈組成當中包含著不飽和化的雙鍵官能團，所以其本身具有耐惰性成分、抗熱力侵蝕及抗外界氣候影響的多類抗老化的特種性能[4]，被廣泛應用于汽車制造、空間防漏材料、電力器材、抗熱塑管、塑膠帶和汽車零件等多個系統(tǒng)當中。

2.2 組成材料

汽車門封閉件總體上均由固體橡膠材料、綿性塑性財料及剛體材料三類成分所組成，其本身的斷面是屬于幾何態(tài)的組成架構(gòu)。

1）1EPDM 式工業(yè)橡膠材料。工業(yè)橡膠原料的強化過程是實施于在“U”式框架之上，用來把密封體鑲嵌于側(cè)門開口之上，讓車門密封體裝設時僅需要很小的穿入功力，而在開門揪出時密封體具備很強的維持定力，此款實心橡膠能夠具備合格的操作韌性。

2）EPDM綿質(zhì)橡膠材質(zhì)。綿質(zhì)橡膠材料屬于車門密封體的最表皮部分，反彈品質(zhì)優(yōu)異、不易發(fā)生變形，在車門關(guān)下時零距離和車門相觸擊，感應著車門關(guān)下時的壓縮強度，發(fā)揮出密封的效能，并且尚可消除車門和車本體結(jié)構(gòu)之間縫隙的不均一狀態(tài)。

3）本體功能架構(gòu)。本體功能架構(gòu)是利用金屬絲型塑料平條或是金屬條材料來實現(xiàn)的，和實體橡膠材料形成特形的狀態(tài)，展示出支撐功能，由此讓密封條構(gòu)架在受力變形進程中維持應有的操作形態(tài)。

3 密封體有限元核算分析的實施進程

選取ANSYS 有限元來做出CAE 運算分析的整個過程，應當劃分成前期處理、數(shù)據(jù)加載、問題求解和后續(xù)處理這幾項關(guān)鍵程序[5]。

3.1 密封體有限元運算模型的擬建

依托專屬行的有限元數(shù)學分析軟件對相應的密封件性能參數(shù)實施提前性的處置進程及相關(guān)屬性的分割，要贏得切切實實的變形仿真結(jié)果，結(jié)構(gòu)形態(tài)利用多支點承力應對架構(gòu)，綿性橡膠結(jié)構(gòu)特征尺寸確定為0.25 mm，實心橡膠密封體外形尺寸選擇用0.65 mm，在密封體厚度取向及表層關(guān)聯(lián)區(qū)域做出充分化的網(wǎng)格分割。

3.2 密封件性能特征的形成

將該程序模型轉(zhuǎn)入現(xiàn)行的有限元分析體系當中，先后對綿質(zhì)橡膠體及實心橡膠體賜予相異化的材料性能。實心橡膠體是屬于一款不易變形的彈性素材，在發(fā)生顯著變形的趨勢下屬于非線性化的彈力變形狀態(tài)，一般是由Mooney 給出的應對型密度函數(shù)形態(tài)來展現(xiàn)。

3.3 耦合形態(tài)的確定

該文中所說的汽車密封件結(jié)構(gòu)應當算是比較簡單的普通架構(gòu)形態(tài)，在平面結(jié)構(gòu)研究中需要將其密封部件的負荷承力變形歷程演進成普通平面式的應對情形。以一條直線來充當車門架構(gòu)，用于展示架構(gòu)的表層能夠在二維平面上進行任意滑動，據(jù)此來模擬車門的旋轉(zhuǎn)關(guān)閉動態(tài)過程。汽車車門和密封條達到的接觸密封為“剛體- 柔體”的“面- 面”接觸，剛性面（車門）作為“目標”面，柔性面（密封條即海綿橡膠）作為“接觸”面。ANSYS 軟件中，將剛性面（車門）與柔性面（密封條即海綿橡膠）的接觸作為接觸單元contact，認為二者接觸為法向單側(cè)接觸，即KEYOPT（12）=0。其中將Targel69 作為目標面（即設置剛體）和Contal71 作為接觸面。定義法向剛度接觸因子FEN=2.0，初始靠近因子ICONT=0.1，Pinball=5。

Contact 單元也作為密實橡膠、海綿橡膠二者的接觸單元，默認接觸屬于綁定接觸，認為KEYOPT（12）=6，雙方緊密接觸，不能分開，也不能產(chǎn)生相對滑動。同時，將密實橡膠和骨架之間的接觸粗糙度認為無限、無窮大，并且雙方表面之間未分離。

3.4 定義邊界條件和載荷提交分析作業(yè)

1）確定邊界條件：將車門視作主動面并且認為粗糙度無限大的剛體，將密封條作為承重面并且作為彈性體，由粘- 滑摩擦模型計算車門、密封條之間的摩擦，假設摩擦因素為0.2。

2）確定載荷：剛體（車門）沿著水平方向右移3 mm，同時壓縮密封條3 mm。

3）提交分析作業(yè)。

4 結(jié)語

汽車車門的密封條對汽車的整體密封與車門關(guān)閉的程度作用很大，要更關(guān)注其結(jié)構(gòu)、材料及變形方式，借助有限元技術(shù)對汽車密封條進行整體優(yōu)化，及時發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的問題，形成優(yōu)化設計方案，使得整體設計更加合理、更具適用性，不斷縮減所需時間，最大限度降低成本，減少用料耗材，為密封條產(chǎn)品設計制造提供依據(jù)。