乘用車尾門(mén)密封條的壓縮仿真分析

王春偉，鄭明貴，操 芹，張景煌，王若滿，胡 晉

（東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 架構(gòu)開(kāi)發(fā)中心，湖北 武漢 430058）

尾門(mén)密封條作為汽車密封系統(tǒng)中重要的密封部件，不僅可以將車身的室內(nèi)與室外隔離，起到防風(fēng)、防塵、隔聲和隔熱的作用，而且還可以減少尾門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中受到的沖擊以及在汽車行駛過(guò)程中受到的振動(dòng)[1]。

國(guó)內(nèi)外通常使用Abaqus等有限元分析軟件對(duì)汽車密封條的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，且已取得一些成果[2]。D.A.WAGNER等[3]采 用Abaqus有限 元分析軟件對(duì)影響汽車密封性能的因素進(jìn)行分析，獲得了密封條的受力變形曲線。馮海星等[4]發(fā)現(xiàn)壓縮負(fù)荷在密封條內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力等因素對(duì)密封條的隔聲性能有一定的影響。張軍等[5]基于緩沖橡膠塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，并結(jié)合有限元仿真技術(shù)和優(yōu)化算法的反求方法來(lái)確定橡膠材料參數(shù)，結(jié)果表明通過(guò)該方法確定的材料參數(shù)能較準(zhǔn)確地描述緩沖橡膠塊的材料特性。

本工作先對(duì)乘用車尾門(mén)密封條的橡膠材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)以確定其本構(gòu)模型，再采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)尾門(mén)密封條的壓縮過(guò)程進(jìn)行仿真分析，展示了有限元仿真分析可輔助尾門(mén)密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

1 橡膠材料的力學(xué)性能試驗(yàn)及本構(gòu)模型

1.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

橡膠材料的非線性對(duì)尾門(mén)密封條的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在一定的影響[6]，因此本工作對(duì)三元乙丙橡膠密實(shí)膠和海綿膠的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)[7-8]。

為使擬合結(jié)果精度更高、準(zhǔn)確性更好，本工作對(duì)密實(shí)膠進(jìn)行了多軸拉伸試驗(yàn)[9]，并通過(guò)傳感器反饋應(yīng)變大小。密實(shí)膠的多軸拉伸試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2 本構(gòu)模型

金屬材料通過(guò)幾個(gè)參數(shù)即可反映其力學(xué)性能，但對(duì)于橡膠材料，其力學(xué)性能較為復(fù)雜，需要通過(guò)非線性的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述。橡膠材料的體積近似不可壓縮，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于非線性關(guān)系，不能通過(guò)彈性模量（E）、泊松比（v）及密度（ρ）等表示，而是通過(guò)應(yīng)變能密度函數(shù)表示[10]。

1.2.1 密實(shí)膠

密實(shí)膠是一種大變形、高度不可壓縮的非線性超彈性材料。Abaqus有限元分析軟件提供了多種非線性超彈性材料的應(yīng)變能密度函數(shù)形式[11-12]，其中常用的為Arruda-Boyce，Mooney-Rivlin，Neo-Hooken，Yeoh，Ogden和Van der Waal本構(gòu)模型。這6種應(yīng)變能密度函數(shù)的變量參數(shù)可以通過(guò)非線性超彈性材料的單軸拉伸、純剪切、多軸拉伸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定。

本工作先對(duì)密實(shí)膠的多組單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，以獲得密實(shí)膠的試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

其次，通過(guò)對(duì)比不同應(yīng)變能密度函數(shù)與試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線間的差異（見(jiàn)圖2），選取密實(shí)膠的本構(gòu)模型（見(jiàn)圖2）。從圖2可以看出，密實(shí)膠的Ogden本構(gòu)模型（N＝3）及Van der Waal本構(gòu)模型與試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線間的差異較小。

最后，對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與Ogden本構(gòu)模型（N＝3）和Van der Waal本構(gòu)模型曲線對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的均方根誤差大小，分別為3.20%和18.34%，最終選取Ogden本構(gòu)模型（N＝3）作為密實(shí)膠的本構(gòu)模型。

1.2.2 海綿膠

海綿膠是一種大變形、高度可壓縮的非線性彈性材料，其變形主要包含材料自身的變形和發(fā)泡孔隙的變形。在Abaqus有限元分析軟件中，HyperFoam本構(gòu)模型是反映海綿膠力學(xué)性能最合適的應(yīng)變能密度函數(shù)[1]。

式中：U為單位體積的應(yīng)變能；μi，αi和βi均為與溫度有關(guān)的材料常數(shù)，由單軸拉伸、單軸壓縮、簡(jiǎn)單剪切、體積壓縮的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定；λ1，λ2和λ3為主伸長(zhǎng)比。

2 尾門(mén)密封條的壓縮試驗(yàn)過(guò)程及壓縮仿真

2.1 壓縮試驗(yàn)過(guò)程

壓縮試驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)前，需對(duì)室內(nèi)環(huán)境、傳感器及計(jì)算機(jī)的控制程序等進(jìn)行檢查，校正下方彈簧的一致性，避免試驗(yàn)過(guò)程中因偶然因素導(dǎo)致的客觀誤差。

尾門(mén)密封條的壓縮試驗(yàn)裝置安裝有多個(gè)力及位移傳感器，其壓縮過(guò)程及速率等均由計(jì)算機(jī)程序控制。模擬尾門(mén)內(nèi)板的上工裝安裝在工作臺(tái)上，以保證壓縮的水平與準(zhǔn)確；模擬尾門(mén)密封條的下工裝固定在側(cè)圍止口上。在壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，上工裝以1 mm·s-1的速率沿垂直方向進(jìn)行加載，以模擬尾門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此次加載可認(rèn)定為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。

2.2 壓縮仿真

為準(zhǔn)確地對(duì)尾門(mén)密封條壓縮過(guò)程進(jìn)行有限元分析，參照壓縮試驗(yàn)及真實(shí)變形設(shè)置其仿真分析的網(wǎng)格大小及屬性、接觸、邊界及負(fù)荷等，如圖4所示。

結(jié)合相關(guān)資料與文獻(xiàn)[13]，對(duì)于壓縮變形工況，尾門(mén)密封條的長(zhǎng)度方向尺寸較截面尺寸大很多，尾門(mén)密封條主要沿垂直方向受壓縮力作用，在另外的方向受摩擦力作用，其長(zhǎng)度方向的受力是一致的，受到的重力也是相同的。故尾門(mén)密封條的仿真分析可簡(jiǎn)化為二維仿真問(wèn)題，這樣不僅減小了網(wǎng)格數(shù)量，也縮短了計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，從而提升更新迭代的效率。

當(dāng)與尾門(mén)接觸時(shí)，尾門(mén)密封條的壓縮負(fù)荷與變形均在尾門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生，一般通過(guò)施加位移負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真云圖分析

在尾門(mén)密封條的仿真壓縮過(guò)程中，其應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5可以看出：在尾門(mén)對(duì)尾門(mén)密封條的壓縮過(guò)程中，尾門(mén)密封條逐漸產(chǎn)生壓縮變形，海綿膠泡管位置產(chǎn)生滑移，尾門(mén)密封條明顯處于應(yīng)力分布不均勻的狀態(tài)；當(dāng)尾門(mén)與尾門(mén)密封條的表面相互作用產(chǎn)生壓縮力時(shí)，泡管與尾門(mén)的接觸面積逐漸增大，應(yīng)力主要集中于泡管，而泡管變形較大的區(qū)域，其應(yīng)力明顯較大且集中；在密實(shí)膠的區(qū)域，基本無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生，而金屬骨架則承受較大的應(yīng)力。

在尾門(mén)密封條的仿真壓縮過(guò)程中，其應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。從圖6可以看出，在尾門(mén)對(duì)尾門(mén)密封條的壓縮過(guò)程中，尾門(mén)密封條的海綿膠泡管位置發(fā)生明顯的壓縮變形，應(yīng)變主要集中于2個(gè)區(qū)域：第1個(gè)區(qū)域?yàn)榭拷c密實(shí)膠接觸的海綿膠部位，其原因是海綿膠屬于高度非線性彈性材料，密實(shí)膠屬于非線性超彈性材料，在同等作用的條件下，海綿膠的壓縮量明顯大于密實(shí)膠的壓縮量；第2個(gè)區(qū)域?yàn)榕莨茏冃屋^大的部位，該區(qū)域主要發(fā)生彈性變形，其壓縮量較大，故此位置有較大的應(yīng)變。

此外，當(dāng)尾門(mén)密封條的壓縮量超出一定范圍后，海綿膠泡管發(fā)生一定程度的反凹，尾門(mén)與尾門(mén)密封條的接觸面積也發(fā)生一定的變化。

根據(jù)能量守恒原理，在尾門(mén)密封條壓縮過(guò)程中，壓縮力所作的功等于尾門(mén)密封條變形時(shí)的動(dòng)能、熱能和應(yīng)變能3部分之和。在本工作尾門(mén)密封條的壓縮過(guò)程中，主要施加的是位移負(fù)荷，且加載速度變化緩慢，此時(shí)可不計(jì)動(dòng)能并忽略熱能，故可認(rèn)為壓縮力所作的功等于尾門(mén)密封條變形時(shí)的應(yīng)變能。

在尾門(mén)密封條的仿真壓縮過(guò)程中，其應(yīng)變能云圖如圖7所示。從圖5—7可以看出，應(yīng)變能較大的位置與應(yīng)力和應(yīng)變最大的位置基本一致，說(shuō)明壓縮力所作的功主要導(dǎo)致海綿膠泡管變形，對(duì)于其他區(qū)域的影響并不大。

3.2 壓縮力分析

尾門(mén)密封條的仿真與試驗(yàn)壓縮力-壓縮量曲線對(duì)比如圖8所示。

從圖8可以看出：在壓縮量不超過(guò)理論設(shè)計(jì)值（即6.5 mm）[1]時(shí)，仿真與試驗(yàn)壓縮力-壓縮量曲線變化趨勢(shì)基本一致，仿真曲線擬合性較好；在壓縮量超過(guò)理論設(shè)計(jì)值時(shí)，仿真與試驗(yàn)曲線的壓縮力差異略有增大，分析其原因?yàn)樵谖查T(mén)密封條處于過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，尾門(mén)密封條的接觸位置逐漸產(chǎn)生反凹，接觸面積逐漸減小，導(dǎo)致壓縮力增大較快。

尾門(mén)密封條的試驗(yàn)壓縮力誤差曲線如圖9所示。壓縮力誤差（ε）的計(jì)算公式為ε=（Fe－Fs）/Fs，式中Fe為試驗(yàn)壓縮力，F(xiàn)s為仿真壓縮力。

從圖9可以看出：在壓縮量不超過(guò)理論設(shè)計(jì)值時(shí)，隨著壓縮量的增大，試驗(yàn)壓縮力誤差逐漸減小，仿真與試驗(yàn)結(jié)果擬合越來(lái)越好；在壓縮量超過(guò)理論設(shè)計(jì)值時(shí)，隨著壓縮量的增大，試驗(yàn)壓縮力誤差逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。

尾門(mén)密封條3次試驗(yàn)壓縮力誤差均不超過(guò)13%，而平均誤差不超過(guò)10%。分析認(rèn)為，在實(shí)際工況中尾門(mén)密封條海綿膠上有排氣孔等因素的影響，因此導(dǎo)致其仿真與試驗(yàn)結(jié)果有一定差異。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)尾門(mén)密封條海綿膠和密實(shí)膠的力學(xué)性能試驗(yàn)，確定了兩種材料的本構(gòu)模型，結(jié)合具體試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)尾門(mén)密封條的壓縮過(guò)程進(jìn)行仿真分析。

（1）對(duì)仿真云圖分析得出，尾門(mén)密封條的海綿膠泡管應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能均較大，海綿膠與密實(shí)膠接觸部位有較大的應(yīng)變及應(yīng)變能。

（2）對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在壓縮量不超過(guò)理論設(shè)計(jì)值時(shí)，尾門(mén)密封條的仿真與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好，試驗(yàn)壓縮力誤差較??；在壓縮量超過(guò)理論設(shè)計(jì)值時(shí)，試驗(yàn)壓縮力誤差逐漸加大，最后趨于穩(wěn)定。但尾門(mén)密封條的試驗(yàn)壓縮力平均誤差不超過(guò)10%，即仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致性好。

（3）尾門(mén)密封條的后期設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能云圖對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以減少應(yīng)力和應(yīng)變集中，并應(yīng)用仿真分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，以保證尾門(mén)密封條的使用性能。