轎車(chē)車(chē)門(mén)玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲唇邊起皺問(wèn)題分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙建才，吳定凱

（建新趙氏集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315615）

玻璃導(dǎo)槽密封條是轎車(chē)車(chē)門(mén)玻璃升降系統(tǒng)的主要零部件之一，作為車(chē)門(mén)玻璃升降的引導(dǎo)部件，其兼具導(dǎo)向、密封、防水、防塵以及降噪等諸多功能[1]。玻璃導(dǎo)槽密封條在安裝過(guò)程中，需要匹配鈑金件的弧度，進(jìn)行三維彎曲變形。如果玻璃導(dǎo)槽密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，其在裝車(chē)時(shí)會(huì)在車(chē)門(mén)轉(zhuǎn)角出現(xiàn)唇邊波浪形皺紋（如圖1所示），導(dǎo)致密封不嚴(yán)，造成車(chē)箱內(nèi)漏風(fēng)、噪聲增大，同時(shí)影響車(chē)門(mén)外觀。

圖1 玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲唇邊起皺

蔡增偉等[2]對(duì)轎車(chē)行李箱密封條起皺問(wèn)題進(jìn)行了CAE分析，并對(duì)密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。李歡等[3]利用非線(xiàn)性有限元分析軟件MSC.Marc對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)密封條起皺現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并改進(jìn)了密封條結(jié)構(gòu)。趙建才[4]利用基于弧長(zhǎng)法的有限元分析方法對(duì)密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討，獲得了密封條失穩(wěn)起皺的臨界條件，分析了密封條起皺原因，進(jìn)行了密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本研究利用非線(xiàn)性有限元分析軟件MSC.Marc，建立玻璃導(dǎo)槽密封條三維仿真模型，分析裝車(chē)過(guò)程中密封條彎曲唇邊起皺的原因，并對(duì)密封條結(jié)構(gòu)，尤其是唇邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以解決密封條彎曲唇邊起皺問(wèn)題。

1 玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲變形模擬

1.1 幾何模型建立

玻璃導(dǎo)槽密封條由橡膠（密實(shí)）、金屬骨架和涂層（降低與玻璃的摩擦力）組成。橡膠部分分為軟質(zhì)膠和硬質(zhì)膠，唇邊為軟質(zhì)膠，夾持部位為硬質(zhì)膠；涂層與軟質(zhì)膠共擠出；橡膠與金屬骨架硫化粘合。玻璃導(dǎo)槽密封條的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為便于唇邊彎曲特性的分析，對(duì)密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 玻璃導(dǎo)槽密封條結(jié)構(gòu)示意

1.2 材料模型建立

橡膠材料是一種特殊的彈性體，在較大變形下其彈性為非線(xiàn)性，可采用應(yīng)變能勢(shì)函數(shù)來(lái)描述其力學(xué)行為，其中應(yīng)用較多的應(yīng)變能勢(shì)函數(shù)是Mooney-Rivlin模型。

式中，C10和C01是與溫度相關(guān)的材料常數(shù)，由材料試驗(yàn)確定[5]；I1和I2分別是Cauchy-Green變形張量的第一和第二不變量。

1.3 單元類(lèi)型選取

玻璃導(dǎo)槽密封條的彎曲變形采用三維仿真模型分析，橡膠選用84號(hào)Herrmann單元，金屬骨架和涂層選用7號(hào)各向同性單元進(jìn)行模擬分析。密封條的三維仿真有限元分析模型如圖3所示。

圖3 玻璃導(dǎo)槽密封條三維仿真有限元分析模型

1.4 邊界條件確立

玻璃導(dǎo)槽密封條接觸邊界條件屬于高度非線(xiàn)性，夾持部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其邊界條件設(shè)置如下。

（1）玻璃導(dǎo)槽密封條長(zhǎng)為600 mm，彎曲半徑為740 mm，對(duì)密封條中間部位的金屬骨架加載與Y軸方向相反的位移載荷，模擬密封條的彎曲受力情況。

（2）對(duì)密封條兩端的金屬骨架施加Y和Z軸方向的固定位移，防止密封條在Y和Z軸方向移動(dòng)。

（3）在密封條底部與鈑金接觸部位施加X(jué)軸方向的固定位移，防止密封條在X軸方向移動(dòng)。

1.5 起皺模擬

利用Multi-Criteria法對(duì)玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲唇邊起皺進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，密封條彎曲中間部位唇邊明顯起皺，這直接影響密封效果。密封條彎曲唇邊起皺屬于屈曲失穩(wěn)問(wèn)題，造成這一現(xiàn)象的原因主要是唇邊厚度較小、弧度較大，隨著彎曲壓力的增大，密封條抗橫向變形的能力下降，當(dāng)彎曲壓力達(dá)到一定值后，密封條結(jié)構(gòu)失去平衡而唇邊形成波浪形皺褶。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲唇邊狀態(tài)

2 玻璃導(dǎo)槽密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化

導(dǎo)致玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲起皺的因素較多[6]，如密封條結(jié)構(gòu)、材料和車(chē)門(mén)彎曲弧度等。在密封條材料和車(chē)門(mén)彎曲弧度不變的情況下，根據(jù)密封條的裝配要求，優(yōu)化唇邊結(jié)構(gòu)，調(diào)整唇邊厚度和弧度。玻璃導(dǎo)槽密封條的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)斷面對(duì)比如圖5所示。

圖5 玻璃導(dǎo)槽密封條優(yōu)化結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)斷面（局部）對(duì)比

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的玻璃導(dǎo)槽密封條進(jìn)行彎曲分析，密封條彎曲唇邊不再出現(xiàn)波浪形皺紋，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲唇邊狀態(tài)

由于唇邊結(jié)構(gòu)改變會(huì)引起壓縮性能變化，因此需對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)密封條進(jìn)行壓縮負(fù)荷校核。玻璃導(dǎo)槽密封條的壓縮負(fù)荷分析采用二維仿真法，變形方式為平面應(yīng)變，密封條壓縮負(fù)荷與壓縮位移的關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示（密封條長(zhǎng)度為100 mm）。從圖7可以看出，密封條最大壓縮負(fù)荷為5.4 N，滿(mǎn)足（6 2） N指標(biāo)要求。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后玻璃導(dǎo)槽壓縮負(fù)荷與壓縮位移關(guān)系曲線(xiàn)

3 實(shí)際裝車(chē)驗(yàn)證

實(shí)際裝車(chē)試驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲唇邊起皺問(wèn)題解決（如圖8所示）。

圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的玻璃導(dǎo)槽密封條裝車(chē)效果

4 結(jié)論

運(yùn)用非線(xiàn)性有限元分析軟件MSC.Marc，對(duì)玻璃導(dǎo)槽密封條彎曲變形進(jìn)行三維仿真分析，模擬了裝車(chē)過(guò)程密封條彎曲唇邊起皺狀態(tài)。通過(guò)對(duì)密封條結(jié)構(gòu)，尤其是唇邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，密封條彎曲唇邊不再出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，且密封條密封性能滿(mǎn)足要求。