混煉膠表征和橡膠產(chǎn)品計算機建模以優(yōu)化汽車工業(yè)用橡膠產(chǎn)品

劉懷現(xiàn)，劉元順，朱建偉編譯

(1.青島愛博爾管理咨詢有限公司，山東 青島 266200;2.青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司 山東 青島 266200;3.瑞源橡塑制品有限公司，河北 衡水 053500）

汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢是以更快的速度和更低的成本開發(fā)出更好的產(chǎn)品，這使得人們需要模擬模型而不是測試樣機。建模需要一個可以表征橡膠和其他正在開發(fā)應用的具有明顯形變橡膠材料的實驗室。除了定義設計參數(shù)外，還要用高端軟件對橡膠的典型應用進行分析，這包括接觸、大形變和超彈性材料響應非線性現(xiàn)象。

本文介紹了建立準靜態(tài)橡膠制品模型所必需的一些與橡膠有關的試驗。它也介紹了代表汽車工業(yè)用橡膠部件的生產(chǎn)者和用戶完成的幾項分析研究報告。計算機預測數(shù)據(jù)均在對物理樣機測試結果的5%以內。

1 汽車行業(yè)

汽車行業(yè)包括范圍廣泛，涉及設計、開發(fā)、制造、營銷和銷售汽車的公司和組織。按收入計算，它是世界上最大的經(jīng)濟部門之一。即使在交付給最終用戶后，沒有專門負責汽車維修的部門，如汽車修理店和汽車加油站。

汽車工業(yè)始于19世紀60年代，有數(shù)百家制造商率先開發(fā)了這種老式汽車。幾十年來，美國(U.S.)汽車總產(chǎn)量居世界首位。1929年，在大蕭條之前，世界上有32 028 500輛汽車在使用，其中90%以上是美國汽車工業(yè)生產(chǎn)的。當時，美國每4.87人就有一輛車。第二次世界大戰(zhàn)后，美國生產(chǎn)了世界上大約75%的汽車。1980年，美國被日本趕超，到2006年，日本的產(chǎn)量勉強被美國超過，直到2009年，中國以1 380萬輛汽車位居榜首。2012年中國制造了1 930萬輛汽車，幾乎達到美國產(chǎn)量1 030萬輛的兩倍；而日本排在第三位，產(chǎn)量只有990萬輛汽車。從1970年(140種)到1998年(260種)到2012年(684種)，美國的汽車型號呈指數(shù)增長。

2007年，全世界大約有8.06億輛轎車和輕卡在路上行駛，每年消耗的汽油和柴油超過9800億升（9.8億m3）。汽車是許多發(fā)達經(jīng)濟體的主要交通工具。2014年，波士頓咨詢集團（Boston Consulting Group）底特律分公司表示，全球三分之一的需求來自金磚四國（BRIC）的四個市場（巴西、俄羅斯、印度和中國），而在發(fā)達國家，由于年輕一代（在高度城市化地區(qū)）更喜歡其他交通方式，汽車行業(yè)的發(fā)展將放緩。根據(jù)J.D.Power的一項研究，2010年包括伊朗和印度尼西亞在內的新興市場占全球輕型汽車銷量的51%，即使是在金磚四國，這一趨勢后來也有所放緩。

1.1 汽車工業(yè)的安全問題

安全是一種意味著免受風險、危險、損害或傷害的狀態(tài)。在汽車工業(yè)中，安全意味著使用者、經(jīng)營者或制造商不會面臨來自機動車或其零部件的風險或危險。實際汽車的安全性意味著沒有損壞的風險。

汽車工業(yè)的安全性尤其重要，因此受到高度監(jiān)管。汽車和其他機動車輛必須符合當?shù)鼗驀H的規(guī)范和法規(guī)，才能進入市場。ISO 26262標準被認為是實現(xiàn)汽車功能安全的最佳實踐框架之一。

在汽車設計或制造過程中，如果出現(xiàn)安全問題、危險、產(chǎn)品缺陷或程序錯誤，制造商可以要求退回一批或整個生產(chǎn)批次。這個過程被稱為產(chǎn)品召回，存在于每個行業(yè)，可以是與生產(chǎn)相關的，也可以是與原材料相關。

在供應鏈的不同階段進行產(chǎn)品和操作測試以及檢查，以確保最終用戶的安全并符合汽車行業(yè)的要求，從而避免這些產(chǎn)品被召回。然而，汽車行業(yè)仍然特別關注產(chǎn)品召回，這造成了相當大的經(jīng)濟后果。

1.2 汽車產(chǎn)品開發(fā)

為了驗證一種材料或產(chǎn)品，迄今為止，汽車工業(yè)一直依賴于大量的、漫長的和重復的試驗。特別是橡膠，先混煉，然后測試，然后改變配方，然后將新的混煉膠制成新的樣品進行測試。此外，樣機是用來測試的，其結果被用來改變混煉膠配方、成型或工藝，因為新的樣機還要進一步測試，直到制造出滿意的產(chǎn)品。實際上，即使能做任何分析，也很少在制造產(chǎn)品之前進行分析（也就是說在推出產(chǎn)品、加工模具、手工樣機和進行測試之前）。相反，在發(fā)生問題后，在排除問題過程中分析開發(fā)過程是作為最后的辦法來要求的。

開發(fā)汽車橡膠和橡膠產(chǎn)品的這種循序漸進的方法延遲了其進入市場的時間，任何一系列的橡膠混煉、加工、樣機制作和測試通常都需要數(shù)周到數(shù)月的時間。此外，樣機設計過程中的任何更改都會增加過程的預算；浪費了很多的時間和金錢，以后的機會就會發(fā)生變化。最后,計算機輔助制造/工程(CAM / CAE)或計算流體動態(tài)/有限元分析(CFD / FEA)的有限集成造成設計效率低下和缺乏創(chuàng)造力。僅憑經(jīng)驗是不夠的，因此需要使用現(xiàn)代工具和模擬，因為這些工具和模擬是可以復制的。此外，公司往往會在遇到任何問題時都會停下來，因為他們幾乎不會花時間、金錢或興趣來試圖通過模擬優(yōu)化來解決遇到的問題。事實上，建模將有助于進一步達到材料、設計和工藝的最佳匹配，以便優(yōu)化故障排除。

1.3 橡膠有限元分析

有限元分析（在工業(yè)中通常被稱為FEA，或者在歐洲被稱為FEM）在汽車工業(yè)的部件和總成的設計中得到了越來越多的應用。任何此類分析都可以是線性的，則相對簡單；如果材料表現(xiàn)為非線性，但結構會發(fā)生大變形或者組件中的零件彼此接觸，則比較復雜；因此，在橡膠應用中，明顯偏離線性，使這些分析完全非線性。

描述線性材料只需要進行單軸拉伸試驗和使用雙軸拉伸機。應力可以通過試樣橫截面的縮頸進行校正；橫向（或厚度）與縱向應變之比稱為泊松比。然而，橡膠經(jīng)歷了四種變形模式，包括單軸、等雙軸、平面和體積，可以是拉伸或壓縮模式，這使“零時”表征橡膠所需的測試次數(shù)達到了8次。

幸運的是，Trealor觀察到單軸拉伸和等雙軸壓縮的等價性。橡膠幾乎是不可壓縮的，因此等雙軸拉伸和壓縮相當于單軸壓縮和拉伸，而單軸拉伸和壓縮是獨立的，單獨平面拉伸是不夠的。

管理層要考慮的一個問題是通過有限元分析進行設計的成本。如果軟件、硬件、培訓和維護的成本得到評估，可以在內部開發(fā)材料特性和有限元分析。根據(jù)需要，他們也可以來自第三方公司，如WIDL。

2 橡膠總成的建模

以下各節(jié)重點介紹橡膠特性，這是在準靜態(tài)（即緩慢遞增）負荷和形變下對橡膠產(chǎn)品進行建模所必需的。本節(jié)還介紹了WIDL針對加拿大和美國汽車行業(yè)橡膠部件模具完成的相關研究。

2.1 后定位器制造公差指南

福特汽車公司選擇溫莎工業(yè)發(fā)展實驗室（WIDL）來評估在機罩下壓入式動態(tài)密封系統(tǒng)中將經(jīng)過機械加工的鋁制后保持架轉換為環(huán)氧乙烯基酯復合材料的可行性。最初的樣件失敗了，因為成型公差導致塑料和橡膠部件之間的不匹配（圖1）。

因此建立了一個測試和分析程序來幫助解決這個問題。檢查樣件的尺寸以確定塑料模具的潛在能力。WIDL的表征包括測試Viton（用于后定位器的動態(tài)密封）的應變能密度模型。更多的關于橡膠的試驗探討了摩擦、密封的最小壓力、橡膠與鋼板之間的剪切黏結以及抗拉強度。表征還獲得了環(huán)氧乙烯基酯的性能（楊氏模量、泊松比和拉伸應力）。WIDL試驗在典型的發(fā)動機罩下溫度進行（從-40 ℃到+150 ℃）（圖2）。

圖1 后定位器、動態(tài)和PIP（被壓到位）密封件

圖2 塑料拉伸試驗至失效

后定位器組件的完全非線性有限元模型使用了Marc（http://www.mscsoftware.com）。 模型包括形變體之間的接觸、定位孔與密封件之間的密封以及密封件與各種剛體（圓形彈簧、嵌件和固定板以及軸）密封（圖3）。

圖3 在MMC和高溫下將動態(tài)密封件插入定位器

在WIDL上監(jiān)測進入后定位器孔的密封件的變形。特別繪制了內應力和接觸壓力曲線。后定位器孔對殼體密封件插入的反作用力與預測值相比在5%以內。

分析是在材料允許的最小和最大（LMC和MMC）條件下確定密封性和強度。LMC確保有效接觸而不泄漏，同時旋轉時保持與旋轉軸的密封。MMC允許評估橡膠和鋼嵌件之間的黏合強度，以及后定位器最薄弱部分的黏合強度。分析說明了零件尺寸的變化（熱膨脹/收縮）；它們隨溫度變化而改變材料性能。

在流動分析的基礎上，纖維的真實的應力-應變數(shù)據(jù)定義了熱固性塑料的物理行為。

借助FEA在-40℃下對環(huán)形密封墊進行泄漏測試，以確保后定位器成型的LMC的建立。 還可以建立MMC，以確保塑料殼體的最薄若弱部分能承受高溫下的徑向膨脹。建模有助于檢查應用程序的故障原因，并避免在工具、樣件制作和樣件測試中的“試驗和錯誤”，這是一種廣泛而昂貴的方法。不幸的是，機會窗口關閉了，因為密封件供應商沒有動力切換成另一種殼體材料和供應源（對于已經(jīng)通過鋁制定位器驗證的產(chǎn)品），塑料件供應商在解決金屬到塑料切換的反復試驗中浪費了超過10個月的時間。

2.2 復合軟管扣壓

眾所周知，橡膠成分的分析是完全非線性的。橡膠在負荷或形變下確實會明顯變形。它對變形的反應是非線性的，此外，它經(jīng)常用于接觸。在處理復合軟管的扣壓時，分析難度會更高。這可以通過許多接觸體（變形接頭、套筒、橡膠和剛性模具）的存在來解釋。增強織構的正交各向異性和卷曲速度（應變敏感性）增加了泄漏的可能，流體扣壓組件的相互作用，回彈等的復雜性。材料屬性隨方向（x，y或z）的變化。

一家向汽車工業(yè)提供變速箱流體軟管總成的大型公司與WIDL簽約，開發(fā)了一種計算機模型，該模型可以模擬扣壓（復合）軟管的制冷劑泄漏。目的是預測多層軟管的最佳扣壓，并避免對樣件的嘗試試驗。案例研究的重點是由兩層異丁基橡膠制成的軟管，中間部分主要由聚酯織物制成。將軟管在接頭上拉伸，并將外部套筒以不同扣壓比扣壓進行測試。有時，高扣壓比會使接頭塌癟，測試總成被丟棄。 此外，每個總成的耐久性測試通常需要數(shù)周才能完成（圖4）。

圖4 軟管扣壓CAD

最初，橡膠樣品在WIDL模制，然后進行調節(jié)和測試以適應應變能密度函數(shù)。分別從英國的鋁業(yè)協(xié)會和法國的Pichnet獲得了制造接頭和套筒的合金棒，進行了彈性體-塑性應變測試。在準靜態(tài)條件下拉伸紗線（用于織物的基礎）。纖維的機械性能是基于纖維和橡膠基體的特性，在WIDL的內部碼中（圖5）。將纖維線的屬性輸入非線性正交各向異性模型（包括大變形、接觸以及超彈性和塑性材料行為）。

圖5 紗線張力試驗

用于分析的弧形非線性軟件，現(xiàn)在是加利福尼亞州的MacNeal Schwendler Corporation的產(chǎn)品。（有關該軟件的更多信息，請參閱http://mscsoftware.com）。

在計算機模擬之后，在汽車供應商處進行了實驗設計（DOE），密封軟管的扣壓比為23%。 確定了泄漏的開始時間，圖表顯示考慮了使用各種異丁環(huán)墊圈的壓縮情況下的流量，其中涉及空氣泄漏測試。收集負荷下鋁合金間的這些信息，以模仿接頭和套筒的內表面光潔度（圖6）。

圖6 三層軟管的模擬扣壓

從那時起，WIDL的其他橡膠織物復合材料項目就著眼于隔膜、鴨嘴式止回閥和輪胎。

2.3 電氣連接器組裝簡便

用于汽車電氣連接器密封件的設計有兩個相互影響的因素，包括低摩擦系數(shù)以確保最小的組裝力，以及充分的壓縮以保證在車輛的整個使用壽命內的密封效果。

為了避免反復試驗，歐洲汽車工業(yè)電氣連接器供應商要求WIDL協(xié)助開發(fā)14路電氣連接器總成。公司之間的工作分為四個主要部分：

（1）對橡膠進行表征以制作密封件，并定義設計參數(shù)；

（2）建立連接器總成案例研究的數(shù)學模型 ；

（3）用試驗結果確認數(shù)值預測（案例研究）；

（4）優(yōu)化14路連接器系統(tǒng) 。

在案例研究中，考慮了在一級供應商處生產(chǎn)的10向連接器，該連接器包括陰陽塑料配合以及多圈密封（圖7）。

建議使用美國有機硅公司的自潤滑橡膠。一小批在WIDL中模壓在按鈕、薄板和環(huán)形墊圈上。將它們在23 ℃和50%相對濕度的環(huán)境室中儲存24 h。在單軸拉伸和壓縮以及平面拉伸下的準靜態(tài)試驗中，確定了剪切力。

進行可壓縮性值以得出靜水壓條件下真實應力-應變數(shù)據(jù)的曲線擬合多項式。在每種變形模式下測試了5個樣本，以確保所收集數(shù)據(jù)的整體可重復性。

圖7 改進的密封件和陽連接器

此外，摩擦常數(shù)是由沿塑料基材拖動橡膠樣品得出的。記錄反應的各種速度、重量和潤滑劑。開發(fā)的數(shù)據(jù)允許在FEA中定義庫侖的摩擦模型（圖8）。

圖8 測試硅膠密封圈的摩擦力

在WIDL進行了涉及密封的最小壓力的更多測試。對密封環(huán)進行了氣壓泄漏測試，以確定在“時間為零”時開始密封。黏彈性測試（壓縮應力松弛或CSR）允許“及時”推斷結果。

向客戶提供了生產(chǎn)密封件和組件（陰陽連接器）的藍圖。 在Pro / E（http://www.ptc.com）中，該密封件是作為實體制成的。組件呈現(xiàn)兩個對稱平面。因此，僅需進行四分之一的密封和塑料部件即可提供最終模型（圖9）。

該模型使用接觸和約束邊界條件。在FEA中，連接器在與變形橡膠接觸時被認為是剛性的。另外，可以注意到，建模包括對稱地垂直于切口固定的節(jié)點。陽連接器上的密封件擴展，沿裝配軸線（左自由）增加了約束，以消除剛體運動。將陽連接器分為兩個筆直部分和一個圓形區(qū)域，將橡膠拉伸到位。通過Mentat（http://www.marc.com）中的表格指定了接觸條件和運動學。

圖9 1/4原始密封裝配

已確定Marc中10路連接器的模型與測試組件的誤差5%之內。14路連接器密封件的設計減少了橡膠與配合件之間的接觸。這增加了密封壓力并減小了裝配應力。

通過對主連接器進行修改，進一步簡化了14路連接器的組裝，使容納密封件的陽連接器的通道變得平滑。經(jīng)過三周的材料表征和有限元分析，對設計進行了優(yōu)化。原型設計基于分析，通過在承包商公司進行的測試證明是準確的。

3 結論

汽車工業(yè)中發(fā)展更快、更輕、成本更低的產(chǎn)品的趨勢帶來了對仿真而不是對樣機進行測試的需求。為了成功進行產(chǎn)品的虛擬測試，需要將兩種成分結合起來，包括材料表征和計算機（有限元）建模。

本文展示了模擬橡膠產(chǎn)品在汽車工業(yè)中的實用性和準確性。這篇文章回顧了一些關于橡膠先決條件的測試，這些測試是建立模型的基礎，該模型將模擬成品橡膠產(chǎn)品的性能。它還提出了一些旨在確保有限元模型準確性的測試。

盡管有限元分析已在多個領域得到廣泛接受，但在橡膠工業(yè)中仍很少使用。由于橡膠對負和形變的非線性和黏彈性響應，因此類似橡膠的材料更難以表征。而且，橡膠產(chǎn)品經(jīng)常會發(fā)生很大的變形并在接觸中使用，從而使橡膠分析完全非線性（從材料、幾何和邊界條件的角度）。有限元軟件直到最近才解決了足夠的非線性效應。但是成本和學習曲線仍然是阻礙建模在橡膠產(chǎn)品開發(fā)中廣泛使用的障礙。另外，虛擬樣機可以根據(jù)需要從第三方公司（例如WIDL）獲得。

編譯自《Rubber World》No.1/2020