車門不平整度對(duì)橡膠密封性能的影響

常亮 王曉輝 鮑志光

摘要：為研究車門不平整度對(duì)車輛密封性能的影響，提出一種“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”類密封條分段建模與不平整度模擬的方法。以某型車輛駕駛室車門結(jié)構(gòu)為例，考察車門頂端和局部凹坑不平整度對(duì)密封性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明這種建模與分析方法可靠，可高效地模擬車門與橡膠密封條變形前、后的接觸狀態(tài)和接觸應(yīng)力，以及由于局部缺陷引起的不平整度對(duì)密封性能的影響。

關(guān)鍵詞：車門密封條;分段建模;材料本構(gòu)模型;不平整度;密封性能

中圖分類號(hào)：TP391.9;U463.834文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引言

對(duì)于在涉水、沙塵等特殊復(fù)雜的惡劣環(huán)境中服役的車輛來說，車門的密封性能非常重要，特別是對(duì)于涉水的車輛裝備，其密封性能不好會(huì)引起車輛滲水進(jìn)而導(dǎo)致裝備的整體功能性失效。在車輛設(shè)計(jì)時(shí)，汽車制造企業(yè)大多會(huì)使用分析工具對(duì)車輛密封性能進(jìn)行分析。WAGNER等采用非線性有限元法分析密封條橡膠材料的超彈性材料性能;LUO等研究應(yīng)力模擬分析的正確性，使用高次的材料本構(gòu)模型模擬大變形行為;DIKMEN等考察橡膠密封條材料對(duì)整車動(dòng)態(tài)性能的影響，借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各種橡膠材料模型密封條力學(xué)性能的可靠程度。趙建才等針對(duì)轎車車門密封條的壓縮變形進(jìn)行計(jì)算仿真分析，獲得支持密封條設(shè)計(jì)的相關(guān)信息。陳少偉將智能算法用于密封條本構(gòu)模型參數(shù)的數(shù)值求解中，可提高非線性材料參數(shù)識(shí)別效率;王勇基于有限元法對(duì)轎車車門密封條結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，目前大部分研究仍聚焦于密封條橡膠材料的本構(gòu)模型和橡膠壓縮性能的數(shù)值仿真。這些研究認(rèn)為密封結(jié)構(gòu)是理想的，但在工程實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)車門結(jié)構(gòu)不平整（局部凹陷凸起等）而導(dǎo)致密封失效的情況。本文從工程需求出發(fā)，對(duì)某型車輛駕駛室車門密封條進(jìn)行研究，充分考慮車門不平整度對(duì)車門密封性能的影響，為車輛裝備的密封條設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 車門密封條有限元建模

1.1 車門密封條結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

簡化后的駕駛室車門模型見圖1。

駕駛室車門密封條主要由硬橡膠、結(jié)構(gòu)鋼和軟橡膠3部分組成，其截面結(jié)構(gòu)見圖2。硬橡膠硫化在金屬骨架上，固定于車體;結(jié)構(gòu)鋼在U形件中起加持作用;軟橡膠位于密封條最外側(cè)，主要承受車門關(guān)閉時(shí)的壓縮載荷，可產(chǎn)生密封和回彈，彌補(bǔ)車門與車體間隙的不均勻性缺陷。

1.2 材料本構(gòu)模型的建立

密封條橡膠材料在大變形情況下通常作為超彈性材料處理，因此可使用基于應(yīng)變能密度函數(shù)的本構(gòu)模型描述。結(jié)構(gòu)鋼可采用常用的金屬材料屬性，鑒于橡膠本構(gòu)模型的多樣性和硬橡膠與軟橡膠的材料本構(gòu)關(guān)系，在參考相關(guān)文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇計(jì)算精度較高的Mooney-Rivlin模型（應(yīng)變范圍為0.50-1.50）中的兩參數(shù)模型，計(jì)算過程如下。

假設(shè)橡膠體積均為不可壓縮，采用僅有2個(gè)材料常數(shù)的簡化應(yīng)變能函數(shù)，即

W=C₁（I₁-3）+C₂（I₂-3） （1）

式中：W為應(yīng)變勢(shì)能;C₁和C₂為超彈性材料常數(shù);I₁和I₂分別為超彈性第一、第二不變量。通過單軸拉伸試驗(yàn)得到軟橡膠（LH-25B）和硬橡膠（LH-75B）的載荷-變形曲線，分別見圖3和4，進(jìn)一步通過經(jīng)驗(yàn)公式可得到橡膠材料的本構(gòu)參數(shù)。

2種橡膠類型均為發(fā)泡橡膠，試驗(yàn)采用啞鈴片狀試件，其尺寸參數(shù)見表1。

在2種橡膠拉伸試驗(yàn)的載荷-變形曲線上分別取一點(diǎn)，其中LH～5B取點(diǎn)（70mm，60N），LHG5B取點(diǎn)（40mm，60N）。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算公式δ=F/A可得到2種橡膠密封條截面上的應(yīng)力分別為4.63和4.42MPa，根據(jù)應(yīng)變計(jì)算公式ε=x/l可得到應(yīng)變分別為2.8和1.6，最后根據(jù)彈性模量計(jì)算公式E=δ/ε可得到E分別為1.65和2.76MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由式（2）計(jì)算得到橡膠和結(jié)構(gòu)鋼的材料參數(shù)，分別見表2和3。

E=6（C₁₀+C₀₁），C₁₀≈4C₀₁（2）

1.3 車門密封條有限元模型的建立

根據(jù)密封條“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別使用實(shí)體單元、殼單元和梁單元對(duì)密封條進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為減小橡膠部分的計(jì)算規(guī)模，使整個(gè)非線性接觸分析更好地收斂，將車門密封條橡膠分為彎段、直段和直段-彎段連接處3部分（見圖5）分段建模，車門密封條有限元模型見圖6。

2 考慮車門不平整度的密封條密封性能分析

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求和工程經(jīng)驗(yàn)，車門不平整度主要考慮車門玻璃上部到車門頂端的變形和車門局部凹坑。在模型構(gòu)建過程中需要綜合考慮車門上缺陷的方向、位置和面積，為提高分析收斂效率，選取關(guān)車門（壓縮橡膠）時(shí)的典型密封條段，車門不平整度按4種工況（見表4）進(jìn)行分析。

HAJIF軟件是中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型航空結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)CAE軟件，提供靜力/動(dòng)力分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、氣動(dòng)彈性分析和熱分析等功能，尤其在結(jié)構(gòu)非線性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面能力突出，廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通和武器裝備等領(lǐng)域。因此，本文采用HAJIF軟件的非線性分析模塊對(duì)車門和密封條進(jìn)行力學(xué)分析。

2.1 工況1構(gòu)型分析

取車門玻璃上部到車門頂端的單元，按照線性變化的方式將節(jié)點(diǎn)位移由外向內(nèi)從0逐漸增大到3mm，最終車門上部發(fā)生局部變形，見圖7。

2.1.1 工況1整體模型分析結(jié)果

未變形車門與工況l車門的等效應(yīng)力云圖對(duì)比見圖8。工況l車門局部應(yīng)力明顯提高，分布區(qū)域主要集中在車門的合頁、把手和螺栓連接孔附近。

2.1.2 工況1橡膠密封性能分析

參考橡膠上的接觸狀態(tài)可判斷其密封性能，未變形車門頂端和工況1車門頂端的接觸狀態(tài)分別見圖9和10。圖中紅色部分表示接觸區(qū)域閉合且處于黏結(jié)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的密封性良好;綠色部分表示接觸區(qū)域處于滑移接觸閉合狀態(tài)，對(duì)應(yīng)區(qū)域雖然密封但可靠性較差;藍(lán)色部分表示接觸區(qū)域處于打開狀態(tài)，對(duì)應(yīng)區(qū)域不能密封。對(duì)比變形前、后車門的接觸狀態(tài)可知，橡膠外側(cè)密封唇的接觸均為黏結(jié)狀態(tài)，密封性能良好;內(nèi)側(cè)的接觸狀態(tài)以滑移狀態(tài)為主，比外側(cè)密封性能稍差。

未變形車門頂端和工況1車門頂端的接觸壓力云圖分別見圖11和12。由此可知，當(dāng)門板上存在3mm由外向內(nèi)的變形時(shí)，在存在缺陷的位置局部接觸壓力較高，導(dǎo)致缺陷附近的接觸壓力連續(xù)性變差，相應(yīng)的密封可靠性降低。

2.2 工況2構(gòu)型分析

取車門結(jié)構(gòu)靠近外沿構(gòu)造凹坑，按照線性變化的方式將其節(jié)點(diǎn)位移由外向內(nèi)從0增大到2mm，見圖13。最終工況2車門局部凹坑編號(hào)分布見圖14。

2.2.1 工況2整體模型分析結(jié)果

未變形車門與工況2車門的等效應(yīng)力云圖對(duì)比見圖15。工況2車門局部應(yīng)力明顯提高。

2.2.2 工況2橡膠密封性能分析

車門上凹坑編號(hào)l處無凹坑和有2mm凹坑時(shí)橡膠的接觸狀態(tài)分別見圖16和17。當(dāng)車門上存在2mm凹坑時(shí)，接觸狀態(tài)會(huì)在凹坑附近發(fā)生變化，其中外側(cè)密封唇邊緣的接觸出現(xiàn)不連續(xù)的打開狀態(tài)，且在缺陷處滑移區(qū)域增多、黏結(jié)區(qū)域減少，相應(yīng)的密封可靠性降低。

車門上凹坑編號(hào)1處無凹坑和有2mm凹坑時(shí)橡膠的接觸壓力云圖分別見圖18和19。編號(hào)1處局部出現(xiàn)較大的接觸壓力，導(dǎo)致橡膠上的接觸壓力在凹坑附近出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，相應(yīng)的密封可靠性降低。

2.3 其余工況構(gòu)型分析

工況3和工況4的分析同第2.1節(jié)，為節(jié)省篇幅，此處不再贅述，只列出最終結(jié)論。

2.3.1 工況3分析結(jié)果

當(dāng)車門頂端存在由內(nèi)向外5mm的不平整缺陷時(shí)，內(nèi)側(cè)密封唇的接觸狀態(tài)為黏結(jié)狀態(tài)，相應(yīng)的密封性良好;外側(cè)密封唇的接觸為滑移狀態(tài)，密封性相比內(nèi)側(cè)稍差一些。另外，加強(qiáng)半圓處出現(xiàn)接觸打開現(xiàn)象，相應(yīng)區(qū)域密封性變差。

當(dāng)車門頂端存在由內(nèi)向外5mm的變形時(shí)，局部軟橡膠產(chǎn)生較大的接觸壓力，加強(qiáng)半圓上的接觸壓力水平很低，從而使得整個(gè)接觸面上的應(yīng)力連續(xù)性變差，相應(yīng)的密封可靠性降低。

2.3.2 工況4分析結(jié)果

當(dāng)車門局部存在由內(nèi)向外2mm凹坑時(shí)，接觸狀態(tài)會(huì)在凹坑附近發(fā)生變化，其中在中間加強(qiáng)圓處車門與橡膠分離，接觸的連續(xù)性降低，相應(yīng)的密封性能變差。

當(dāng)車門局部存在由內(nèi)向外2mm凹坑時(shí)，凹坑附近應(yīng)力的變化極不連續(xù)，既存在局部接觸壓力為0的區(qū)域，也存在接觸壓力集中的區(qū)域，使得凹坑附近的密封可靠性降低。

3 結(jié)論

為研究車門不平整度對(duì)車輛密封性能的影響，基于國產(chǎn)自主CAE軟件HAJIF，建立一種考慮結(jié)構(gòu)不平整度的車門密封結(jié)構(gòu)建模分析方法。研究結(jié)果表明：

（1）采用實(shí)體單元、殼單元和梁單元對(duì)車門的“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段建模，該方法高效可靠。

（2）在密封結(jié)構(gòu)中，軟、硬橡膠采用Mooney-Rivlin模型，超彈性材料常數(shù)取自試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這種材料本構(gòu)的模擬方法合理。

（3）車門頂端變形、車門局部凹坑這2類不平整度都會(huì)對(duì)車門結(jié)構(gòu)的密封性能產(chǎn)生明顯影響，在某些狀態(tài)下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密封失效，在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要加以重視。

本文算例的研究對(duì)象是車門的“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”密封結(jié)構(gòu)，但研究方法適用性廣，可以擴(kuò)展到其他超彈性材料的密封結(jié)構(gòu)研究中，有較好的應(yīng)用前景。