車門(mén)框密封條斷面結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化＊

胡強(qiáng) 陳宇強(qiáng) 陳梓銘 李落星 吳岸

（1.湖南科技大學(xué) 難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；3.長(zhǎng)安歐尚汽車研究院，重慶 400020）

主題詞：車門(mén)密封膠條 泡狀管結(jié)構(gòu) 多目標(biāo)優(yōu)化

1 前言

車門(mén)框密封條作為汽車重要的密封部件，對(duì)汽車舒適性有重要影響。一方面，密封條壓縮負(fù)荷的大小直接影響車門(mén)關(guān)閉時(shí)的輕便性和平順性；另一方面，密封條與鈑金件之間的接觸寬度對(duì)整車的氣密性及NVH性能起著重要作用[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)車門(mén)框密封條結(jié)構(gòu)的分析及優(yōu)化進(jìn)行了廣泛研究，提出了多種分析及優(yōu)化方法。如，陳少偉等[5]將試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與遺傳蟻群融合算法結(jié)合，獲得了密封條材料參數(shù)，優(yōu)化了密封條壓縮負(fù)荷曲線；趙建才等[6-7]將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，得出密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與壓縮負(fù)荷、應(yīng)力等的非線性全局映射關(guān)系；Cho JR等[8]運(yùn)用基于密度法的拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)密封條的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使密封條的疲勞壽命得到了極大的提升。當(dāng)前對(duì)車門(mén)框密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究主要采用單一變量法，不能同時(shí)考慮密封條結(jié)構(gòu)各參數(shù)的相互影響，也不能直接得到符合要求的密封條結(jié)構(gòu)。

本文通過(guò)對(duì)某乘用車現(xiàn)有密封條結(jié)構(gòu)的研究，提出了利用Isight多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)集成Sculptor、Abaqus、Meta軟件的密封條泡狀管結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化方法，該方法利用Sculptor建立的密封條泡狀管參數(shù)化網(wǎng)格模型，以密封條的壓縮負(fù)荷、接觸寬度為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮密封條泡狀管的壁厚、寬度兩個(gè)參數(shù)的相互影響，直接得到符合要求的密封條結(jié)構(gòu)。

2 密封條原始結(jié)構(gòu)仿真分析及驗(yàn)證

2.1 密封條泡狀管的非線性有限元分析

車門(mén)框整圈密封條的布局方式如圖1所示。由于密封條長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其它方向的幾何尺寸，可假定密封條所受外界載荷是平行于結(jié)構(gòu)的橫截面，同時(shí)在長(zhǎng)度方向上均勻分布。因此，為提高仿真分析效率，將密封條的變形問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析[7-9]。

圖1 汽車車門(mén)框密封條裝配示意

根據(jù)密封條的幾何模型，利用Abaqus軟件建立密封條二維平面仿真模型，如圖2所示。整個(gè)仿真模型采用四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)力、減縮積分、沙漏控制的“CPSR4”四邊形單元，單元尺寸為0.2～0.3mm，單元總數(shù)為4 532個(gè)。為更好驗(yàn)證仿真模型的正確性、評(píng)價(jià)現(xiàn)有密封條結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)有限元模型中的車門(mén)施加7mm的壓縮位移，并輸出壓縮過(guò)程中的壓縮負(fù)荷和接觸寬度。

有限元仿真模型中海綿橡膠采用Foam模型，應(yīng)變能密度函數(shù)為[10-11]：

式中，μn、αn、βn為材料常數(shù)；λ1、λ2、λ3為主伸長(zhǎng)比。

密實(shí)橡膠采用Mooney-Rivlin模型，應(yīng)變能密度函數(shù)為[11-13]：

式中，C10、C01為與溫度有關(guān)的材料常數(shù)；D1為橡膠不可壓縮參數(shù)；J為橡膠變形前與變形后的體積比；I1、I2為等容Cauchy-Green張量的第一、第二不變量。

圖2 密封條有限元仿真模型

根據(jù)整車設(shè)計(jì)要求，車門(mén)關(guān)閉后，在滿足車門(mén)與車身之間均勻密封間隙前提下，需保證車門(mén)框密封條的壓縮量為4±2mm，此區(qū)間內(nèi)，長(zhǎng)度100mm的密封條的壓縮負(fù)荷、接觸寬度的技術(shù)要求如表1所列。

表1 壓縮量為2～6mm內(nèi)的壓縮負(fù)荷及接觸寬度技術(shù)要求

2.2 仿真結(jié)果分析及驗(yàn)證

基于Abaqus軟件對(duì)現(xiàn)有車門(mén)框密封條的壓縮負(fù)荷和接觸寬度進(jìn)行了有限元仿真分析，同時(shí)利用CMT2005萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和工裝試驗(yàn)臺(tái)對(duì)密封條進(jìn)行壓縮試驗(yàn)（圖3），得到密封條實(shí)際的壓縮負(fù)荷及接觸寬度，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4及表2所示。

圖3 密封條壓縮試驗(yàn)

圖4 密封條原始結(jié)構(gòu)仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2 密封條原始結(jié)構(gòu)的壓縮負(fù)荷、接觸寬度仿真值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖4和表2可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較高的一致性。壓縮量在7mm內(nèi)，壓縮負(fù)荷及接觸寬度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)，符合仿真精度要求。因此，所建立的密封條仿真模型能很好地分析密封條在實(shí)際壓縮過(guò)程中的受力、接觸情況。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明原始密封條的壓縮負(fù)荷、接觸寬度都不滿足技術(shù)要求，需對(duì)密封條泡狀管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 密封條泡狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)變量及優(yōu)化目標(biāo)的確定

密封條的壓縮負(fù)荷、接觸寬度主要與密封條泡狀管的截面形狀（壁厚、高度、寬度）、壓縮量、材料特性及與金屬薄板之間的摩擦特性等參數(shù)有關(guān)[14]?？紤]密封條實(shí)際密封間隙和裝配要求，密封條泡狀管優(yōu)化時(shí)不考慮其高度的變化。對(duì)于相同材料密封條，在壓縮量i相同時(shí)，壓縮負(fù)荷F、接觸寬度L是壁厚t、寬度w的函數(shù)。因此，建立如式（4）的目標(biāo)函數(shù)及約束條件，那么，密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題即轉(zhuǎn)化為對(duì)參數(shù)t、w進(jìn)行優(yōu)化，可得出合理密封條泡狀管結(jié)構(gòu)。

3.2 密封條泡狀管優(yōu)化流程

采用基于均勻B樣條技術(shù)的Sculptor軟件，建立如圖5所示的密封條泡狀管參數(shù)化網(wǎng)格模型。

圖5 密封條泡狀管參數(shù)化網(wǎng)格模型

密封條泡狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程如圖6所示。將Sculptor參數(shù)化網(wǎng)格模型導(dǎo)入Abaqus軟件中，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，導(dǎo)出壓縮負(fù)荷、接觸寬度和應(yīng)力等相關(guān)變量。通過(guò)Meta宏命令對(duì)輸出變量進(jìn)行解析。由Isight多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果的判斷。優(yōu)化算法采用NSGA-Ⅱ算法[15]，優(yōu)化設(shè)計(jì)中種群大小設(shè)置為12，遺傳代數(shù)設(shè)置為20。

圖6 密封條泡狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程

3.3 密封條泡狀管優(yōu)化結(jié)果分析及驗(yàn)證

從初始方案開(kāi)始，經(jīng)過(guò)NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法尋優(yōu)后，得到了滿足要求的優(yōu)化結(jié)果。利用Abaqus對(duì)優(yōu)化后的密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表3所列。

由表3可知，優(yōu)化后的泡狀管在壓縮量區(qū)間內(nèi)的壓縮負(fù)荷完全符合技術(shù)要求，在壓縮量為2mm、3mm、4mm、5mm、6 mm時(shí)的壓縮負(fù)荷為1.24 N、1.38 N、1.57 N、2.01 N、2.56 N，其仿真值與原始結(jié)構(gòu)試驗(yàn)值相比，分別降低了17.33%、22.47%、34.31%、33.22%、40.47%，壓縮負(fù)荷的波動(dòng)量明顯降低。

在壓縮量為2～6mm內(nèi)的接觸寬度在2.72～6.33mm內(nèi)變化。其中，壓縮量為2mm和6mm時(shí)的接觸寬度為2.72mm和3.91mm，不滿足技術(shù)要求，但仿真值與原始結(jié)構(gòu)試驗(yàn)值相比，其接觸寬度分別增加了43.92%和24.92%，密封性能得到了較大提升。壓縮量為3mm、4 mm、5mm時(shí)的接觸寬度為6.07mm、6.33mm、6.14mm，均滿足技術(shù)要求，仿真值與原始結(jié)構(gòu)試驗(yàn)值相比，分別增加了92.70%、22.20%、94.92%。

表3 密封條泡狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真值與原始結(jié)構(gòu)試驗(yàn)值對(duì)比

對(duì)該優(yōu)化方案進(jìn)行了樣件制造（圖7），并對(duì)其進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖8和表4。對(duì)比可知，優(yōu)化后的密封條壓縮負(fù)荷及接觸寬度試驗(yàn)與仿真的相對(duì)誤差都在12%以內(nèi)，滿足仿真精度要求，表明了優(yōu)化結(jié)果的正確性及泡狀管結(jié)構(gòu)的合理性，同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明了優(yōu)化方法的可行性。

圖7 優(yōu)化前、后密封條結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖8 優(yōu)化前、后密封條泡狀管的仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表4 密封條泡狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后試驗(yàn)值對(duì)比

由表4可知，在壓縮量為2～6mm內(nèi)，密封條泡狀管優(yōu)化前、后的壓縮負(fù)荷降低了20.22%～41.63%，接觸寬度增加了27.03%～95.24%。

密封條泡狀管設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮其關(guān)門(mén)壓縮過(guò)程中的壓縮負(fù)荷及變形情況外，還需保證密封條在安裝后，密封條泡狀管在彎曲角度較大的情況下（車門(mén)及車門(mén)框的4個(gè)拐角處）不會(huì)發(fā)生起皺、下凹變形的情況[11-16]。為此，對(duì)密封條進(jìn)行了實(shí)車安裝，結(jié)果表明，原始結(jié)構(gòu)的密封條泡狀管在車門(mén)拐角的角度最大處有明顯的下凹現(xiàn)象，如圖9a所示，說(shuō)明彎曲角度較大時(shí)，原始泡狀管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，對(duì)密封條的使用壽命及車門(mén)關(guān)閉性能有較大的影響。優(yōu)化后的密封條泡狀管未出現(xiàn)起皺、下凹的情況（圖9b），優(yōu)化后的密封條泡狀管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)，可以用于生產(chǎn)及實(shí)車安裝。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖9 優(yōu)化前、后密封條泡狀管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)比

針對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化方法難以同時(shí)考慮多參數(shù)對(duì)密封條泡狀管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的問(wèn)題，提出了利用Isight多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)集成Sculptor、Abaqus、Meta軟件的密封條泡狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，試驗(yàn)結(jié)果表明：

a.該優(yōu)化方案能綜合考慮密封條泡狀管壁厚及寬度兩個(gè)參數(shù)，得到滿足技術(shù)要求的密封條泡狀管，從而有效地減小產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改的次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方法的可行性及優(yōu)化后密封條泡狀管結(jié)構(gòu)的合理性。

b.相比于原始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的密封條在壓縮位移為2～6 mm內(nèi)的壓縮負(fù)荷較改進(jìn)前降低了20.22%～41.63%。接觸寬度相對(duì)優(yōu)化前增加了27.03%～95.24%，既滿足了密封性能，又有效改善了車門(mén)關(guān)門(mén)力及關(guān)門(mén)品質(zhì)。