ANSYS有限元技術(shù)在汽車密封條設(shè)計中的應(yīng)用

付治存

（重慶長安汽車公司汽車工程研究總院）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和社會的進步，消費者對汽車的乘坐舒適性以及防振和隔聲等性能要求越來越高，汽車門窗密封條在其中起到了介質(zhì)密封的作用，它使車身室內(nèi)與外界隔絕，不僅能防風(fēng)、雨及塵土侵入室內(nèi)，提高隔聲和隔熱性能，以保持車內(nèi)環(huán)境，而且還能緩和車門等運動件關(guān)閉時的沖擊力和車身在行駛過程中的振動，提高乘坐舒適性。有研究表明，密封條的壓縮變形產(chǎn)生的阻力占車門關(guān)閉力的35%～50%，因此在設(shè)計時需考慮密封條結(jié)構(gòu)對壓縮和密封等性能方面的影響，預(yù)先對結(jié)構(gòu)和受力變形進行分析是很有必要的。文章利用ANSYS軟件對某車型密封條進行了分析，考察了密封條的幾何結(jié)構(gòu)、材料特性及在車門關(guān)閉過程中的壓縮變形和壓縮受力等情況，并根據(jù)分析結(jié)果對密封條結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，以滿足設(shè)計目標的要求。

1 密封條的幾何結(jié)構(gòu)和性能指標

汽車密封條一般采用三元乙丙橡膠材料，三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯及少量的非共軛二烯烴的共聚物，是乙丙橡膠的一種，以EPDM（Ethylene Propylene Diene Monomer）表示，因其主鏈是由化學(xué)穩(wěn)定的飽和烴組成，只在側(cè)鏈中含有不飽和雙鍵，故其耐臭氧、耐熱及耐候等耐老化性能優(yōu)異，可廣泛用于汽車部件、建筑用防水材料、電線電纜護套、耐熱膠管、膠帶及汽車密封件等領(lǐng)域。

汽車門框密封條一般由EPDM密實橡膠、EPDM海綿橡膠及金屬骨架三部分組成，橫截面幾何模型，如圖1所示。

圖1 門框密封條橫截面幾何模型圖

1.1 EPDM密實橡膠

密實橡膠硫化在“U”形金屬骨架上，用于將密封條固定在側(cè)圍門洞止口上，使密封條裝配時只有較小的插入力，而拔出時密封條具有較大的保持力，該類密實橡膠需要達到的物理機械性能，如表1所示。

表1 密實橡膠物理機械性能

1.2 EPDM海綿橡膠

海綿橡膠是密封條的最外側(cè)部分，回彈性能好、易變形，車門關(guān)閉時直接與車門接觸，承受車門關(guān)閉時的壓縮載荷，起到密封作用，同時還可以彌補車門與車體之間間隙的不均勻性，該類海綿橡膠需要達到的物理機械性能，如表2所示。

表2 海綿橡膠物理機械性能

1.3 金屬骨架

由鋼絲聚酯織帶或鋼帶構(gòu)成，和密實橡膠形成“U”字形狀，起夾持加強作用，使密封條在壓縮變形過程中保持正確的形狀。鋼絲聚酯織帶性能指標，如表3所示；鋼帶性能指標，如表4所示。

表3 鋼絲聚酯織帶性能指標

表4 鋼帶性能指標

2 密封條有限元分析的基本過程

使用ANSYS進行CAE分析的基本過程，可分為前處理、加載并求解及后處理3個主要步驟。密封條CAE分析的一般過程，如圖2所示。

圖2 密封條有限元輔助分析流程圖

2.1 密封條有限元網(wǎng)格模型的創(chuàng)建

借助專業(yè)有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh對密封條的CAD數(shù)據(jù)進行前處理網(wǎng)格模型劃分，為了獲得理想的變形仿真效果，單元類型采用四節(jié)點平面應(yīng)變單元，海綿橡膠單元尺寸選取0.3 mm，密實橡膠單元尺寸選取0.7 mm，在密封條厚度方向和表面接觸區(qū)域進行足夠的網(wǎng)格細分，如圖3所示。

圖3 密封條有限元網(wǎng)格圖

2.2 密封條材料特性的創(chuàng)建

將HyperMesh網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS中，分別對海綿橡膠和密實橡膠賦予不同的材料屬性，如圖4所示。

圖4 密封條賦予材料屬性后的有限元模型圖

密實橡膠是一種不可壓縮的彈性材料，在大變形的情況下是非線性彈性變形，通常由Mooney提出的應(yīng)變能密度函數(shù)來表征，如式（1）所示。

式中：C1，C2——材料常數(shù)，其值由非線性最小二乘法擬合單軸拉伸和平面剪切試驗的數(shù)據(jù)確定，分別為8，2 N/mm2；

I1，I2——變形張量不變量。

海綿橡膠是可壓縮的彈性材料，由Ogden[1]在1972年提出的模型來表示，該模型用應(yīng)變能密度函數(shù)來表征，如式（2）所示。

式中：λ1，λ2，λ3——主伸長比；

μn，αn，βn——材料常數(shù)，其值根據(jù)海綿橡膠材料的單軸拉伸、平面剪切及體積試驗數(shù)據(jù)確定。

2.3 創(chuàng)建接觸

該分析中的密封條模型屬于平面二維模型，在二維分析中可將密封條的載荷壓縮變形簡化為平面應(yīng)變問題。如圖1中用一條直線代表車門剛體，用來表示剛體的表面可以在2個平面方向上隨意移動，以此模擬車門的旋轉(zhuǎn)關(guān)閉狀態(tài)。車門與密封條的接觸屬于“剛體-柔體”的“面-面”接觸類型，剛性面（車門）被當(dāng)作“目標”面，柔性體的表面（海綿橡膠）被當(dāng)作“接觸”面。

在ANSYS中，車門（剛體）與密封條海綿橡膠的接觸選用接觸單元Contact，其接觸設(shè)為法向單側(cè)接觸，即設(shè)置KEYOPT（12）=0。其中Targe169為目標面（設(shè)置剛體）和Conta171為接觸面（設(shè)置與剛體接觸的密封條海綿橡膠）。定義法向剛度接觸因子FKN=2.0，初始靠近因子 ICONT=0.1，Pinball=5。

海綿橡膠與密實橡膠之間的接觸單元也用Contact單元，其接觸設(shè)為綁定接觸，即設(shè)置KEYOPT（12）=6，兩者不能脫開也不允許有相對滑動。

密實橡膠與骨架之間的接觸可視為粗糙度無限大，且表面之間沒有分離，建立有限元模型時可將兩者連接起來，并將金屬骨架在2個平面方向上全約束。

2.4 定義邊界條件和載荷 提交分析作業(yè)

1）定義邊界條件：車門作為主動面并視為無限大剛體，密封條作為從動面視為彈性體，車門與密封條的摩擦根據(jù)粘-滑摩擦模型計算，摩擦因數(shù)假設(shè)為0.2；

2）定義載荷：車門剛體水平向右平移3 mm，使密封條壓縮3 mm位移；

3）提交分析作業(yè)。

3 結(jié)果分析與評價

分析計算完成以后，可以得到密封條壓縮變形前后的模型圖（見圖5）、應(yīng)力云圖（見圖6）及壓縮負荷與壓縮位移的關(guān)系圖（見圖7）信息。

圖5 密封條壓縮3 mm變形前后對比圖

圖6 密封條壓縮3 mm時的應(yīng)力圖

圖7 密封條變形過程中的壓縮負荷曲線圖

從圖6可以看出，密封條壓縮3 mm時，接觸面上的最大壓應(yīng)力為0.029 27 MPa。從圖7可以看出，壓縮反作用力隨著密封條壓縮量的增大而增大，呈非線性變化，密封條壓縮3 mm時所受的最大壓縮載荷為3.2 N。根據(jù)某企業(yè)標準規(guī)定100 mm密封條壓縮3 mm時的最大壓縮負荷為（2.5±1.5）N，因此該密封條的壓縮負荷符合企業(yè)標準。

2 結(jié)論

通過上述分析可以看出，汽車密封條的結(jié)構(gòu)、材料和壓縮變形特性對整車密封性和車門關(guān)閉效果具有重要影響，利用有限元技術(shù)預(yù)先對其進行分析優(yōu)化，可以在密封條產(chǎn)品制造之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并找出最佳的設(shè)計方案，確保設(shè)計的合理性，從而縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本和材料消耗。