基于Marc的車門密封膠條優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝貴山　韓啟明

【摘 要】隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，消費(fèi)者已經(jīng)不僅僅滿足于汽車的功能性要求，對(duì)乘坐舒適性也有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。而車身密封膠條是影響乘坐舒適感的主要因素之一，它既起著防塵密封、隔振降噪、內(nèi)外裝飾的作用，也是引起車門關(guān)閉力過大的主要原因。密封膠條的設(shè)計(jì)水平體現(xiàn)了主機(jī)廠的技術(shù)研發(fā)能力，文章通過Marc軟件分析車身側(cè)密封膠條斷面壓縮變形和壓縮力負(fù)荷曲線，根據(jù)壓縮力峰值，優(yōu)化膠條斷面形狀，從而減小膠條壓縮力，最后通過關(guān)門速度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證膠條滿足設(shè)計(jì)要求。利用有限元分析軟進(jìn)行前期開發(fā)，極大地縮短了研發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。

【關(guān)鍵詞】Marc軟件；密封膠條；壓縮力；優(yōu)化；關(guān)門速度

【中圖分類號(hào)】U463.85 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）07-0022-04

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)的汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展，一方面，從2009年起，中國(guó)的汽車產(chǎn)量和銷量一直居全球第一；另一方面，人們對(duì)汽車的乘坐舒適性有了越來(lái)越高的要求。然而，密封膠條作為車身的重要功能件與結(jié)構(gòu)件，其性能的好壞直接影響到整個(gè)車身的使用性能與乘坐性能，因此越來(lái)越受到重視，許多汽車廠商已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到密封膠條設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到該產(chǎn)品在汽車市場(chǎng)的占有份額。

所以，針對(duì)密封膠條進(jìn)行專項(xiàng)研究十分必要。密封條在轎車中對(duì)車身的防塵密封、隔振降噪及內(nèi)外裝飾發(fā)揮著不可替代的作用。由于密封膠條的幾何非線性、材料非線性及接觸非線性特征，所以其不同的材料類型、結(jié)構(gòu)及裝配工藝都會(huì)直接影響其功能性、可靠性和裝飾性，最終對(duì)用戶的駕乘體驗(yàn)造成直接影響。為了提高產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量，同時(shí)保證密封膠條的功能性、可靠性及裝飾性。過去試制、實(shí)驗(yàn)認(rèn)證、再試制全憑經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)方法已經(jīng)很難保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，未來(lái)也將被汽車工業(yè)所淘汰。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高、非線性材料力學(xué)和有限元思想理論的發(fā)展，使得工程師可以利用非線性有限元軟件在產(chǎn)品開發(fā)前期對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全工況真仿優(yōu)化，減少了不必要的時(shí)間與材料浪費(fèi)。

本文利用非線性有限元分析軟件，針對(duì)上汽通用五菱股份有限公司的某款開發(fā)車型的車門密封條，仿真分析了車門關(guān)閉過程中膠條的壓縮負(fù)荷曲線和變形過程，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓縮力數(shù)值過大，因此對(duì)密封膠條截面泡管厚度進(jìn)行減薄，減小了膠條的壓縮負(fù)荷，最后通過關(guān)門速度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了車門關(guān)閉速度滿足要求。

1 有限元分析模型的建立

1.1 材料的本構(gòu)模型

橡膠是超彈性材料，在大幾何變形的條件下，表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性特征，因此其材料本構(gòu)模型的推導(dǎo)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間。

綜合考慮材料參數(shù)獲得的成本及仿真的精度，本文采用的本構(gòu)模型為公式（4）中的模型。其中，密實(shí)橡膠和海綿橡膠分別采用不同的參數(shù)，由材料的單軸拉伸、雙軸拉伸、體積應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線反求而來(lái)。

1.2 密封條幾何模型

膠條截面采用平面應(yīng)變模型，厚度是100 mm。門框表面假設(shè)剛性無(wú)限大、不存在變形。對(duì)于密封條的幾何結(jié)構(gòu)，三維截面數(shù)據(jù)和二維數(shù)據(jù)都來(lái)自UG。然后將幾何截面的dwg格式導(dǎo)入Marc中，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，將門框鈑金線和車門鈑金線定義為剛性體。本文的計(jì)算模型為公司某設(shè)計(jì)開發(fā)車輥壓窗框Roof段的膠條截面，圖1為密封條三維模型，分為上、下2個(gè)部分，中間用接角接起來(lái)，圖2為密封條橫截面幾何模型，其中上方曲線為車身側(cè)圍板件，下方曲線為車門內(nèi)板鈑金，密封條左側(cè)泡管右壁厚為1.81 mm。圖3為截面有限元網(wǎng)格。網(wǎng)格分為2個(gè)部分，上方為海綿橡膠，下方為密實(shí)橡膠，車門關(guān)閉過程中，海綿橡膠起主要的壓縮變形作用，同時(shí)也是引起車門關(guān)閉力過大的主要原因。

1.3 單元的選擇

對(duì)于密封條的壓縮變形，如果其長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)、截面相同，且受到的壓縮力方向相同，即可以將變形方式近似為平面應(yīng)變，膠條的壓縮變形也可以近似為由多段二維仿真組成。在二維仿真分析中，單元的選取有三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格2種，三角形網(wǎng)格對(duì)于幾何邊界的貼近效果很好，但是其變形效果不如四邊形，存在網(wǎng)格畸變，所以本文采用四邊形單元。由于截面較小，網(wǎng)格尺寸可以適當(dāng)減小，本文選擇0.3 mm，這樣可以提高仿真計(jì)算的精度。在二維分析中，采用Mooney-Riviin材料本構(gòu)模型時(shí)，可以選用平面應(yīng)變?nèi)e分Herrmann單元（MARC中單元類型80）。

1.4 邊界和接觸條件的建立

作為變形體的密封膠條和剛性體的鋼板表面在數(shù)值模擬中不允許存在穿透現(xiàn)象，且為了保證仿真精度，做出如下假設(shè)。

第一，對(duì)于海綿膠泡管和與其接觸的側(cè)圍剛性體區(qū)域，為了使法向接觸應(yīng)力大于表面剪應(yīng)力，它們之間的摩擦力采用滑動(dòng)摩擦。這個(gè)模型保證了海綿密封條和相對(duì)應(yīng)的側(cè)圍區(qū)域的接觸條件。因此，變形后的密封條截面的形狀和密封條的內(nèi)應(yīng)力大小都極大地反映了實(shí)際情況。

第二，由于頂部密封膠條是黏接在車門窗框上的，所以對(duì)其底部密實(shí)橡膠單元的節(jié)點(diǎn)約束其X、Y方向的平動(dòng)和Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

第三，由于膠條和側(cè)位之間是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，為了簡(jiǎn)化模型，模型中側(cè)圍鈑金以勻速壓縮膠條。1s后完全壓縮，也就是關(guān)門狀態(tài)時(shí)的相對(duì)位置。

2 結(jié)果分析

將前處理完成后的模型提交Marc進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定總的計(jì)算時(shí)間為1s，側(cè)圍鈑金向下勻速壓縮12.78 mm，車門鈑金向上勻速壓縮6.09 mm，即車門關(guān)閉后的最終狀態(tài)，計(jì)算過程分為50個(gè)增量步，軟件運(yùn)行后的結(jié)果包括圖4模型云圖（膠條變形后的形狀）和圖5（壓縮力隨時(shí)間的變化）。

在圖4中，無(wú)網(wǎng)格空心部分為初始時(shí)刻未變形的密封膠條狀態(tài)，有網(wǎng)格的為變形后的密封膠條狀態(tài)，可以看出，膠條壓縮后緊貼著車門和側(cè)圍鈑金，起到了密封的作用，從圖5可以看出，0.28 s時(shí)側(cè)圍鈑金開始接觸密封條，1s后密封條壓縮完全，從模型云圖中可以看出等效柯西應(yīng)力為0.364 MPa，位于海綿膠與密實(shí)膠相鄰處，通過軟件，同樣可以得出最大法向接觸力為2.49 N，最大接觸摩擦力為0.93 N。壓縮力與壓縮量（這里為勻速壓縮）之間為非線性關(guān)系，壓縮力隨著壓縮量的增加而增大，密封條完全壓縮時(shí)為6.75 N，大于設(shè)計(jì)值6 N。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這將導(dǎo)致車門關(guān)閉力過大，所以必須對(duì)膠條截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表1介紹了改善車門密封膠條壓縮負(fù)荷性能常見的途徑，隨著序號(hào)的增加，優(yōu)先程度依次降低。改進(jìn)量的設(shè)置為推薦值，當(dāng)改進(jìn)量的值超出推薦值范圍，改進(jìn)效果反而會(huì)變差，而且有可能影響零件的其他功能。此外，金屬骨架在膠條設(shè)計(jì)中屬于比較浮躁的部分，一般不輕易更改。而通過調(diào)整海綿泡管的厚度則可行且效率較高。

所以，將膠條泡管右側(cè)壁厚度減少0.3 mm，變?yōu)?.51 mm，減薄后的膠條幾何截面如圖6所示。

將新的膠條截面重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，賦上材料屬性，施加約束條件，然后提交計(jì)算，結(jié)果如圖7（新截面膠條變形后形狀）和圖8（新截面所示膠條壓縮力隨時(shí)間變化）。

從結(jié)果可知，由于膠條壁厚的減小，最大壓縮力減小為5.9 N，減小了12%，效果明顯，同時(shí)等效柯西應(yīng)力增加為0.38 MPa，僅增加了4%，對(duì)膠條的使用性能影響很小，其他如最大法向接觸力減小為2.03 N，接觸摩擦力減小為0.75 N。

通過對(duì)比前后計(jì)算結(jié)果可知，通過減小膠條泡管的厚度，極大地減小了壓縮力的大小，這將有利于車門關(guān)閉力的減少，同時(shí)優(yōu)化后的最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

汽車車門關(guān)閉力過大一直備受消費(fèi)者的詬病，同時(shí)也是各主機(jī)廠關(guān)注的難題，而車門密封條及其與車身的配合性是影響車門關(guān)閉力的主要因素之一。

我們?cè)跍y(cè)量關(guān)門力的時(shí)候，是以車門能夠進(jìn)二級(jí)鎖止的最小速度來(lái)評(píng)判車門關(guān)門力的大小，測(cè)試儀器及安裝如圖9所示。上汽通用五菱股份有限公司的標(biāo)準(zhǔn)是車門關(guān)閉速度不大于1.3 m/s。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，對(duì)膠條斷面優(yōu)化后的車型進(jìn)行了關(guān)門速度測(cè)試，同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的可靠，依次測(cè)量了4輛NS階段某款開發(fā)車型的關(guān)閉速度（見表2）。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，除了第3輛車的左后門車門關(guān)閉速度稍高于1.3 m/s，其他數(shù)據(jù)皆滿足出廠要求，第2輛車的左后門為1.06 m/s，遠(yuǎn)低于行內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。說明優(yōu)化后的膠條滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論及展望

從密封膠條的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中，工程師可以獲得很多實(shí)驗(yàn)難以測(cè)試的結(jié)果，比如柯西應(yīng)力、法向接觸力等，相比于實(shí)驗(yàn)手段更加方便，而且當(dāng)密封膠條與鈑金的相對(duì)關(guān)系給定時(shí)，有限元分析能夠壓縮全過程的壓縮負(fù)荷曲線，密封條的接觸狀態(tài)也可以能夠直觀地反映出來(lái)。

通過有限元分析結(jié)果，判斷膠條壓縮力過大，將會(huì)導(dǎo)致車門關(guān)閉力增加，影響客戶滿意度。因此，優(yōu)化了截面厚度，并用關(guān)門速度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

相于傳統(tǒng)的試制實(shí)驗(yàn)方法，利用有限元分析軟件進(jìn)行前期開發(fā)，可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，而且可以獲得試驗(yàn)中很多難以測(cè)試的數(shù)據(jù)，更加全面地評(píng)估設(shè)計(jì)可行性以便及時(shí)更改和優(yōu)化產(chǎn)品。

由于橡膠材料的不穩(wěn)定性及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏，本文沒有從材料方面進(jìn)行優(yōu)化討論。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]