客車車門密封條的壓縮仿真與試驗分析

彭冬冬， 黃顯利， 劉鑫明， 高振波

(中通客車股份有限公司， 山東 聊城 252000)

客車車門密封系統(tǒng)中最主要的密封部件是橡膠密封條。它可以防止風沙、雨水、灰塵進入車內，也可提高隔聲和隔熱性能，還可以利用其自身結構中海綿泡管空腔等部位的彈性性能與鈑金或裝飾件等物體接觸產生接觸壓力，起到密封和裝飾作用。同時，它還能在一定程度上彌補車門與車身之間的裝配誤差。因此，研究密封條的結構形狀和壓縮變形特性具有很重要的實際意義。本文對車門密封條的壓縮變形進行仿真與試驗分析，為密封條結構和尺寸的優(yōu)化提供參考。

1 密封條的壓縮仿真分析

1.1 密封條有限元模型

車門密封條主要由海綿橡膠、密實橡膠和金屬骨架三部分組成，海綿橡膠與密實橡膠通過擠壓成型，密實橡膠與金屬骨架組成硬質夾持部分。由于密封條在長度方向上的幾何尺寸遠遠大于其余兩個方向，所以可以認為其所承受的載荷平行于其橫截面，并且沿長度方向均勻分布。因此密封條的壓縮變形可簡化為平面應變問題。本文用剛體來表示車門，在不影響結果的情況下對密封條夾持部分作相應的簡化，去掉圖1(a)中所示夾持區(qū)域的夾持齒。網格采用四節(jié)點平面應變單元，網格尺寸為0.15 mm，生成的密封條未變形時的有限元網格模型如圖1(b)所示。

(a) 未簡化幾何模型

1.2 密封條材料屬性

密實橡膠和海綿橡膠的主要原材料為三元乙丙(EPDM)橡膠。兩種橡膠采用不同的發(fā)泡機理和組成成分，所顯現(xiàn)的材料特性會不同。密實橡膠密度較大，氣孔率較低，被認為是相對不可壓縮材料；海綿橡膠氣孔率較高，密度較低，在0.6～0.9 g/cm之間，是可壓縮材料。在較小載荷作用下，海綿橡膠會產生很大變形，并且會表現(xiàn)出明顯的非線性特性。

在有限元分析軟件中，常用應變能密度函數(shù)模型來描述橡膠材料的屬性。其中Mooney-Rivlin本構模型和Ogden本構模型是EPDM橡膠密封條材料常用的應變能密度函數(shù)模型。本文在有限元仿真軟件Workbench中，為描述橡膠材料的大變形特性和保證仿真計算結果的精確性，選用應變能密度函數(shù)多項式為3階的Ogden本構模型，并采用同行業(yè)中該種材料的其他參數(shù)，剪切模量常數(shù)：MU=0.07 MPa，MU=-0.06 MPa，MU=0.08 MPa；應變硬化指數(shù):=12，=-5，=1；可壓縮性能參數(shù)(用于表示體積變化)：=0.6 MPa，=2.5 MPa，=0.5 MPa。

密實橡膠采用Mooney-Rivlin本構模型，其應變能密度函數(shù)的模型為

=(-3)+(-3)

(2)

式中：和為橡膠材料的Rivlin系數(shù)，均為正定常數(shù)，分別取8 MPa和2 MPa。

1.3 邊界條件

車門與密封條的接觸屬于“剛體與可變形體”的“面-面”接觸類型，定義車門剛體作為“目標”面，海綿橡膠作為“接觸”面，摩擦系數(shù)為0.2。海綿橡膠與密實橡膠接觸設為綁定接觸，兩者不能脫開也不允許有相對滑動。密實橡膠與金屬骨架之間的接觸可視為粗糙度無限大，且兩者表面沒有分離。對車門剛體施加沿軸方向向下位移4 mm的載荷。夾持部位作為固定支撐(如圖2所示)。

1.4 壓縮變形仿真結果分析

密封條變形前后的形狀和海綿泡管結構的等效應力云圖如圖2和圖3所示。從圖3中可以得出，密封條壓縮4 mm時其最大等效應力為0.185 81 MPa，位于海綿橡膠與密實橡膠膠接處，對應壓縮載荷為4.569 N，主要是由于應力集中引起的，此處的海綿橡膠泡頂?shù)淖冃瘟恳沧畲?，? mm。

圖2 密封條變形前后形狀

圖3 海綿泡管等效應力圖

2 密封條的壓縮試驗驗證

2.1 壓縮試驗

根據QC/T 710—2004《汽車密封條壓縮負荷試驗方法》，本文所用密封條壓縮負荷試驗的裝置與試樣如圖4所示。

圖4 密封條壓縮負荷試驗的裝置與試樣

試驗前，通過控制面板設定試驗速度為12 mm/min，壓縮高度為4 mm。記錄壓縮負荷與密封條形變數(shù)據，如圖5中相應曲線所示。

圖5 密封條壓縮仿真與試驗對比CLD曲線

2.2 試驗與仿真對比

根據壓縮載荷與位移形變關系，可以得到密封條壓縮CLD曲線。密封條壓縮仿真與試驗對比CLD曲線如圖5所示?？梢钥闯?，壓縮至 4 mm時，作用在密封條上的壓縮載荷試驗值為4.6 N，仿真值為4.569 N，二者幾乎一致。另外，壓縮載荷隨著密封條形變的增加而呈非線性增大，試驗與仿真曲線基本重合，可以驗證仿真結果的正確性。

3 結束語

本文通過密封條仿真與試驗研究對比，驗證了仿真分析與試驗結果的一致性。結果表明，在實際應用中，使用軟件仿真求解密封條壓縮過程中壓縮力的結果是有效的，可以為密封條的改進設計提供參考。