塑鋼窗橡膠密封條老化后密封性能有限元分析*

王林林，王安迎，王 偉

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

橡膠密封條是塑鋼窗密封的關(guān)鍵部件，可以起到有效的防塵、防水、減震、降噪、保溫和密封作用[1]，綜合性能優(yōu)異，是近年來應(yīng)用較廣的新一代門窗密封條。塑鋼窗橡膠密封條的密封性能主要來源于橡膠材料的高彈性與體積不可壓縮性[2]，在使用過程中，密封條會(huì)發(fā)生熱氧老化等現(xiàn)象，使其密封性能下降，產(chǎn)品的使用壽命降低。隨著計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，具有成本低、周期短、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并取得了一定成效[3-4]。因此，借助有限元方法對(duì)塑鋼窗橡膠密封條進(jìn)行仿真分析，能夠有效地評(píng)估產(chǎn)品的老化性能，預(yù)測(cè)密封性能的可靠性，具有重要的工程價(jià)值。

本文利用ABAQUS軟件，對(duì)塑鋼窗用橡膠密封條老化后的變形、應(yīng)力分布及失效部位進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)密封條老化后密封性能的可靠性。

1 塑鋼窗橡膠密封條有限元模型建立

1.1 幾何模型建立

根據(jù)塑鋼窗橡膠密封條與金屬框架之間的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)[5]，橡膠密封條工作時(shí)所受的外界載荷方向平行于其結(jié)構(gòu)的橫截面，可看作平面應(yīng)變問題，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，對(duì)其幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化得到二維平面模型，所建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 橡膠密封條的有限元分析模型

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分過程中，橡膠密封條采用四邊形雜交單元，共有752個(gè)節(jié)點(diǎn)，623個(gè)單元，能夠得到較為精確的計(jì)算結(jié)果。

1.2 橡膠材料的本構(gòu)模型

塑鋼窗橡膠密封條常使用三元乙丙橡膠(EPDM)[6]，它可看作各向同性的、體積近似不可壓縮的橡膠材料，在變形中體積變化極小，密封效果較好。因此，要選用超彈性本構(gòu)模型來描述其非線性彈性行為[7-8]，金屬框架可看作離散剛體。

為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先按照GB/T 3512—2001[9]，在120 ℃下對(duì)EPDM進(jìn)行老化試驗(yàn)，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d。然后，對(duì)不同老化程度的橡膠試樣分別進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，利用得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取不同的本構(gòu)模型進(jìn)行材料參數(shù)擬合，最終選擇了擬合精度最高的Yeoh本構(gòu)模型。

該模型的應(yīng)變能函數(shù)關(guān)系如式(1)所示[10]：

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度，I1為第一格林應(yīng)變不變量，C10、C20、C30為Rivlin系數(shù)。在應(yīng)變較小的情況下，參數(shù)C10表示剪切模量；在應(yīng)變中等的情況下，參數(shù)C20表示橡膠材料發(fā)生的軟化現(xiàn)象，其值為負(fù)數(shù)；在應(yīng)變較大的情況下，參數(shù)C30可以描述橡膠材料的硬化現(xiàn)象。

Yeoh本構(gòu)模型在橡膠大變形條件下的模擬精度較高，它可以通過單軸拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行材料的參數(shù)擬合，進(jìn)而利用得到的擬合參數(shù)去預(yù)測(cè)其他變形的力學(xué)行為。該模型與橡膠的力學(xué)行為比較符合，并且具有形式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

1.3 邊界條件及加載方法

塑鋼窗橡膠密封條在裝配時(shí)，左側(cè)與金屬框架約束為固定狀態(tài)，右側(cè)為過盈裝配，依靠其自身的過盈配合固定于工裝上。對(duì)此工況下未老化的橡膠密封條進(jìn)行有限元分析，可求得：當(dāng)過盈量為1.985 454 mm時(shí)，密封條右側(cè)所受到的支反力為28.3 N。

當(dāng)關(guān)閉塑鋼窗時(shí)，施加相同的外力，橡膠密封條的壓縮變形量越大，表明其彈性性能越好，老化程度越低，密封效果越好。因此，使剛體與橡膠密封條右側(cè)處于恰好接觸的初始狀態(tài)，然后對(duì)密封條右側(cè)施加大小為28.3 N的載荷，再次進(jìn)行有限元計(jì)算，得到密封條在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d的變形情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力分布分析

圖2為在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)塑鋼窗橡膠密封條在水平方向的應(yīng)力分布云圖。由圖2可知，密封條的最大壓應(yīng)力主要分布于其兩個(gè)凹槽部位，而其對(duì)側(cè)的拉應(yīng)力最大，這是由密封條的幾何結(jié)構(gòu)決定的，并且隨著老化時(shí)間的推移，密封條在工作時(shí)所受到的最大應(yīng)力也逐漸變大。拉應(yīng)力越大的區(qū)域，越容易誘發(fā)裂紋，在長(zhǎng)期使用過程中，該部位會(huì)過早老化，致使整個(gè)橡膠密封條出現(xiàn)早期失效。

圖2 不同老化時(shí)間密封條的應(yīng)力云圖

2.2 變形量分析

圖3為在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)塑鋼窗橡膠密封條在水平方向的位移分布云圖。由圖3可知，密封條左側(cè)與塑鋼窗金屬框架固定，變形量為0，密封條右側(cè)在工作時(shí)受到水平方向的壓力，為發(fā)生變形的主要區(qū)域。

圖3 不同老化時(shí)間密封條的位移云圖

取右側(cè)剛體的參考點(diǎn)來研究橡膠密封條的變形情況，可得到不同老化時(shí)間下密封條的壓縮變形量，如圖4所示。從圖4可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封條的變形量呈線性減小趨勢(shì)。這是由于隨著使用時(shí)間的增加，在溫度及空氣中氧的共同作用下，密封條發(fā)生熱氧老化現(xiàn)象，產(chǎn)生永久變形而變硬，彈性形變能力減弱，從而推斷出塑鋼窗橡膠密封條的密封性能變差，使用性能隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降。

老化時(shí)間/d圖4 不同老化時(shí)間密封條的變形量

2.3 接觸壓力分析

為了分析橡膠密封條與塑鋼窗金屬框架接觸部位所受的接觸壓力，建立圖5所示的接觸路徑。提取所建接觸路徑的計(jì)算結(jié)果，可以得到在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)塑鋼窗橡膠密封條所受到的接觸壓力沿接觸路徑的變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)，塑鋼窗密封條所受到的接觸壓力呈現(xiàn)基本相同的分布規(guī)律，密封條左側(cè)下方與金屬接觸的部位所受到的接觸壓力最大。

圖5 密封條接觸界面上的壓力分布及路徑選取

沿路徑的真實(shí)距離/mm圖6 不同老化時(shí)間密封條的接觸壓力沿路徑變化曲線

從圖6可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠密封條與塑鋼窗金屬部件的接觸壓力逐漸減小，且曲線呈駝峰狀凸起，這是因?yàn)樵诿芊鈼l的左側(cè)部位有一個(gè)橡膠支撐來提供密封條工作時(shí)的密封支撐力。

將不同老化天數(shù)密封條的接觸壓力進(jìn)行對(duì)比，見表1。由表1可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封條受到的最大接觸壓力逐漸減小，接觸壓力的最大變化量為0.045 MPa，變化較小，密封性能基本穩(wěn)定。塑鋼窗橡膠密封條的密封屬于界面接觸密封，其內(nèi)外部工作壓力為大氣壓，不同老化時(shí)間的密封條接觸路徑上的平均接觸壓力大約在0.26 MPa，均大于0.1 MPa(即大氣壓)，且接觸區(qū)域連續(xù)均勻。因此，在所研究的老化時(shí)間范圍內(nèi)，該橡膠密封條的老化程度較小，密封效果較好。

表1 不同老化時(shí)間密封條的接觸壓力

2.4 老化程度分析

根據(jù)GB 12002—1989[11]中對(duì)塑料門窗用密封條的規(guī)定，在老化溫度為100 ℃、老化時(shí)間為72 h條件下，密封條所用橡膠的熱空氣老化性能的拉斷伸長(zhǎng)率保持率應(yīng)在70%以上。

速率常數(shù)k與老化溫度T之間的關(guān)系服從Arrhenius公式，如式(2)所示：

(2)

式中：A為頻率因子，d-1；E為表觀活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，J/(K·mol)；T為老化溫度，K。

因此，可得到兩個(gè)不同溫度下的加速系數(shù)計(jì)算公式，如式(3)所示：

(3)

式中：AF為加速系數(shù)；T1為非加速狀態(tài)下的老化溫度，K；T2為加速狀態(tài)下的老化溫度，K。

該加速老化試驗(yàn)是在120 ℃條件下進(jìn)行的，由式(3)計(jì)算可得，當(dāng)加速老化溫度為120 ℃時(shí)，加速系數(shù)為3.470 675，換算成老化時(shí)間為0.864 385 d。

該橡膠密封條的老化壽命預(yù)測(cè)模型，如式(4)所示[12]：

(4)

式中：τ為老化時(shí)間，d；y0為老化程度；T0為老化溫度，K。

根據(jù)式(4)可計(jì)算得到老化溫度為120 ℃，老化時(shí)間為0.864 385 d時(shí)，橡膠密封條的老化程度約為0.811 804，大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.7，比標(biāo)準(zhǔn)要求的老化程度偏小。這表明在所研究的老化時(shí)間范圍內(nèi)，橡膠密封條的密封性能較好，這進(jìn)一步驗(yàn)證了利用有限元方法進(jìn)行塑鋼窗橡膠密封條老化后密封性能的分析是合理的。

3 結(jié) 論

(1)有限元方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)老化后密封條的變形及應(yīng)力，并結(jié)合老化壽命預(yù)測(cè)模型來評(píng)價(jià)密封條結(jié)構(gòu)的密封性能。

(2)密封條凹槽區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中，易出現(xiàn)過早老化的部位。

(3)在相同關(guān)窗外力下，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封條的變形量呈線性下降，彈性減小，密封效果變差。但本研究中界面上的接觸壓力仍然高于大氣壓，并且拉斷伸長(zhǎng)率指標(biāo)在高溫老化后滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表明該密封條滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50年使用要求。