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。
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
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
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
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
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
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
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。
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。
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)。
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。
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。