汽車門框密封條壓縮的仿真分析

鄭明貴，王春偉，操 芹，董 穎，江想蓮，楊 飄，張景煌

（東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

汽車門框密封條性能對整車駕乘舒適性有重要的影響[1-2]。汽車門框密封條能防止雨水進(jìn)入車艙，降低外界傳入車艙的噪聲（尤其是高速風(fēng)噪聲），給駕乘者提供干燥、安靜和舒適的環(huán)境，同時(shí)車門密封條提供合適的關(guān)門力，提升關(guān)門手感和聲音品質(zhì)[3-6]。因此，在整車開發(fā)中有必要對汽車門框密封條進(jìn)行分析研究，以預(yù)測、改進(jìn)其性能，從而提高整車的駕乘舒適性。

近年來，國外學(xué)者對汽車門框密封條進(jìn)行了大量研究。福特汽車公司的A.W.DAVID等[7]通過非線性有限元方法對車門密封條進(jìn)行了關(guān)門壓縮和高速失效仿真分析，得出汽車關(guān)門力的35%～50%用于克服車門密封條變形產(chǎn)生的阻力，汽車高速行駛時(shí)車艙內(nèi)外壓力差會造成車門密封條過度壓縮而與車身鈑金接觸面分離，從而產(chǎn)生高速失效。M.KENA等[8]研究了車門密封條對汽車關(guān)門效果的影響，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整車門不同位置的密封間隙能有效改善關(guān)門品質(zhì)。國內(nèi)學(xué)者也對汽車門框密封條的性能進(jìn)行了大量研究，如運(yùn)用有限元三維仿真軟件對汽車門框密封條彎曲失效進(jìn)行分析研究[9]。王海軍等[10]采用有限元分析與試驗(yàn)對照的方法研究了多種車門密封條斷面在壓縮過程中的壓縮變形和壓縮力。張杰[11]在汽車尾門密封設(shè)計(jì)中運(yùn)用Marc軟件對尾門密封條進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，使其壓縮負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本工作針對汽車門框密封條正向壓縮，考慮門框密封條在變形過程中鉗口卡爪變形及其泡管內(nèi)外包覆層的影響，建立了3種有限元模型，采用非線性有限元分析軟件Abaqus對門框密封條的壓縮變形和壓縮力進(jìn)行了仿真分析，并將仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證仿真分析的有效性和甄別壓縮力的影響因素。

1 汽車門框密封條正向壓縮試驗(yàn)

根據(jù)QCT 710—2004《汽車門框密封條壓縮負(fù)荷試驗(yàn)方法》對汽車門框密封條進(jìn)行正向壓縮試驗(yàn)。從密封條成品上截取長度為100 mm的樣件，其按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理后，在壓縮負(fù)荷檢驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行正向壓縮試驗(yàn)（見圖1）。試驗(yàn)加載速度為0.5 mm·s-1，近似準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行加載，試驗(yàn)設(shè)備測試精度為0.01 N。

圖1 汽車門框密封條正向壓縮試驗(yàn)Fig.1 Forward compression test for automobile doorframe sealing strip

2 汽車門框密封條模型

2.1 斷面模型

汽車門框密封條的軸向尺寸遠(yuǎn)大于斷面尺寸，且在正向壓縮時(shí)沿軸向所受的面力和體力的大小和方向均不變，變形也主要發(fā)生在垂直于軸向的平面內(nèi)，沿軸向的變形量很小。因此可將門框密封條正向壓縮模型簡化為平面應(yīng)變二維模型，以減小計(jì)算量。

門框密封條的材料組成為海綿膠、密實(shí)膠和金屬骨架（見圖2）。上部泡管材料主要是海綿膠，具有可壓縮性；下部鉗口材料主要是密實(shí)膠，其為超彈性不可壓縮材料；中間金屬骨架為鋼材。由于密實(shí)膠為超彈性材料，鋼為一般彈塑性材料，因此建立模型時(shí)海綿膠和密實(shí)膠部分采用平面應(yīng)變雜交單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，金屬骨架部分采用平面應(yīng)變單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

根據(jù)門框密封條斷面材料建立3種仿真模型（見圖2）：普通模型、插入-壓縮模型和包覆層模型，各模型網(wǎng)格平均尺寸均為0.2 mm，而泡管材料和邊界條件有區(qū)別。普通模型將泡管材料全部設(shè)為海綿膠，邊界條件設(shè)為鋼骨架全約束和位移加載。插入-壓縮模型的上述條件與普通模型一致，但考慮壓縮過程中鉗口卡爪變形的影響，其分析過程分2步進(jìn)行：第1步約束斷面左側(cè)，將支撐板件插入門框密封條鉗口；第2步釋放約束，進(jìn)行壓縮分析。包覆層模型考慮了門框密封條泡管內(nèi)外表面包覆層的作用。門框密封條泡管在生產(chǎn)過程中由于熱融化和涂層的作用會在內(nèi)外表面形成厚度約為10 μm[12]的包覆層（材料視為密實(shí)膠），對門框密封條壓縮力有一定的影響。3種模型的門框鈑金均定義為解釋剛體，插入-壓縮模型的插入塊也定義為解釋剛體。

圖2 門框密封條斷面的3種仿真模型Fig.2 Three simulation models of doorframe sealing strip cross section

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

門框密封條泡管的可壓縮海綿膠采用R.W.OGDEN[13]提出的基于應(yīng)變能密度函數(shù)表征的Hyperfoam材料本構(gòu)模型來描述，其本構(gòu)方程如下：

表1 EPDM海綿膠的Hyperfoam材料本構(gòu)模型參數(shù)Tab.1 Hyperfoam material constitutive model parameters of EPDM sponge compound

鉗口密實(shí)膠為超彈性不可壓縮材料，采用R.W.OGDEN[14]提出的基于應(yīng)變能密度函數(shù)表征的Hyperelastic材料本構(gòu)模型描述其在壓縮變形中的力學(xué)行為，其本構(gòu)方程如下：

本工作EPDM密實(shí)膠的Hyperelastic材料本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示。

表2 EPDM密實(shí)膠的Hyperelastic材料本構(gòu)模型參數(shù)Tab.2 Hyperfoam material constitutive model parameters of EPDM dense compound

2.3 摩擦模型

在車門關(guān)閉過程中和關(guān)閉狀態(tài)下，門框密封條與門框鈑金之間、門框密封條自身不同面之間會相互接觸，產(chǎn)生摩擦作用。摩擦作用對門框密封條的壓縮變形和壓縮力都有影響，因此需要建立合理的摩擦模型，以精確模擬壓縮中的接觸摩擦作用。摩擦模型有庫侖摩擦模型、剪切摩擦模型和粘性摩擦模型，本工作采用修正的庫侖摩擦模型，其方程[15]如下（上式在粘結(jié)區(qū)使用，下式在滑動區(qū)使用）：

式中：τf為摩擦力；τmax為最大靜摩擦力；γ為滑動摩擦因數(shù)，為0.5；σn為正壓力。

3 汽車門框密封條仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比可驗(yàn)證仿真分析的有效性，識別出對分析結(jié)果影響較大的因素，提升仿真分析精度。

3.1 斷面變形對比

車門關(guān)閉狀態(tài)下，門框密封條與鈑金之間存在欠壓（壓縮量為2 mm）、正壓（壓縮量為4 mm）和過壓（壓縮量為6 mm）3種狀態(tài)，門框密封條的斷面變形如圖3所示。從圖3可以看出：在欠壓和正壓狀態(tài)下，仿真和試驗(yàn)門框密封條與門框鈑金之間均只有1個(gè)接觸區(qū)域；在過壓狀態(tài)下，仿真和試驗(yàn)門框密封條與門框鈑金接觸界面的中間部位出現(xiàn)輕微的分離現(xiàn)象，變成2個(gè)接觸區(qū)，這是由于在過壓狀態(tài)下泡管中間部分塌陷所致。3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門框密封條的斷面變形基本吻合，門框密封條與門框鈑金的接觸區(qū)域和接觸寬度也基本一致。仿真分析對門框密封條的正向壓縮變形模擬具有較好的預(yù)測性。

圖3 3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門框密封條的斷面變形對比Fig.3 Comparison of cross section deformations of simulation and test doorframe sealing strips under three compressions states

3.2 壓縮力對比

仿真與試驗(yàn)汽車門框密封條的壓縮力-壓縮量曲線如圖4所示。初始接觸階段由于接觸不穩(wěn)定，仿真與試驗(yàn)門框密封條的壓縮力-壓縮量曲線變化趨勢差異較大，進(jìn)入穩(wěn)定壓縮狀態(tài)之后，仿真與試驗(yàn)門框密封條的曲線變化趨勢基本一致。

從圖4可以看出：與試驗(yàn)的壓縮力-壓縮量曲線相比，普通模型門框密封條的壓縮力-壓縮量曲線相差最大，其次為插入-壓縮模型門框密封條，最接近的是包覆層模型門框密封條；從普通模型與插入-壓縮模型門框密封條的壓縮力-壓縮量曲線對比可知，在壓縮過程中鉗口卡爪的變形對壓縮力有一定的影響，但影響相對較小，這表明門框密封條的壓縮力主要來自泡管部分的壓縮變形；從包覆層模型與普通模型門框密封條的壓縮力-壓縮量曲線對比可知，泡管內(nèi)外表面包覆層的作用使壓縮力明顯增大，這是由于包覆層材料為密實(shí)膠，具有不可壓縮性，產(chǎn)生了較大的反力所致。綜上可知，包覆層模型具有較高的分析精度。

圖4 仿真與試驗(yàn)門框密封條的壓縮力-壓縮量曲線Fig.4 Compression force-compression amount curves of simulation and test doorframe sealing strips

在3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門框密封條的壓縮力如圖5所示，仿真門框密封條的壓縮力誤差如圖6所示。其中，壓縮力誤差（ω）定義如下：

圖5 3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門框密封條的壓縮力Fig.5 Compression forces of simulation and test doorframe sealing strips under three compression states

圖6 3種壓縮狀態(tài)下仿真門框密封條的壓縮力誤差Fig.6 Compression force errors of simulation doorframe sealing strips under three compression states

式中，fs為仿真門框密封條的壓縮力，fe為試驗(yàn)門框密封條的壓縮力。

從圖5可以看出，3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門框密封條的壓縮力變化趨勢基本一致，包覆層模型門框密封條的壓縮力變化趨勢幾乎與試驗(yàn)門框密封條相同，且壓縮力最接近試驗(yàn)門框密封條。

從圖6可以看出：普通模型門框密封條的壓縮力誤差最大，在欠壓狀態(tài)下達(dá)到25.46%，在正壓和過壓狀態(tài)下普通模型門框密封條的壓縮量增大，壓縮力也增大，壓縮力絕對誤差變化較小，誤差減?。徊迦?壓縮模型門框密封條的壓縮力誤差較普通模型門框密封條略小，表明壓縮過程中鉗口卡爪變形對壓縮力有一定的影響，但影響較小，門框密封條的壓縮力主要由泡管變形產(chǎn)生；包覆層模型門框密封條的壓縮力誤差最小，在欠壓狀態(tài)下為4.16%，在正壓和過壓狀態(tài)下包覆層模型門框密封條的壓縮量增大，壓縮量的增大，誤差減小。

圖5和6的結(jié)果進(jìn)一步表明門框密封條仿真模型建立時(shí)考慮泡管包覆層材料與內(nèi)部材料的差異是必要的，對仿真分析精度有較大的提升。

3種仿真模型門框密封條泡管正壓狀態(tài)下Mises應(yīng)力分布如圖7所示。普通模型和插入-壓縮模型門框密封條泡管最大Mises應(yīng)力及其分布基本一致，與包覆層模型門框密封條有較大區(qū)別。包覆層模型門框密封條泡管的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在右上部彎曲處的包覆層上，整個(gè)泡管內(nèi)部應(yīng)力相對于包覆層應(yīng)力小很多，這表明壓縮過程中泡管包覆層的不可壓縮性使其變形相對于內(nèi)部材料更為困難，從而使壓縮力增大。

圖7 3種仿真模型門框密封條泡管正壓狀態(tài)下Mises應(yīng)力分布Fig.7 Mises stress distributions of three simulation model doorframe sealing strip bubble tubes under forward pressure

綜上可知，運(yùn)用非線性有限元方法對門框密封條正向壓縮進(jìn)行仿真分析，具有較好的預(yù)測作用。

4 結(jié)論

（1）汽車門框密封條正向壓縮非線性有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，非線性有限元方法對門框密封條的正向壓縮分析具有較好的預(yù)測作用。

（2）汽車門框密封條壓縮力主要來自泡管的變形，鉗口卡爪的變形對壓縮力有一定的影響，但影響較?。慌莨軆?nèi)外表面密實(shí)膠包覆層的作用使壓縮力顯著增大。

（3）對汽車門框密封條正向壓縮進(jìn)行仿真建模，可以忽略泡管以下部分的影響，以減小仿真分析的計(jì)算量，但應(yīng)將泡管包覆層考慮在內(nèi)，以提高仿真分析精度，更精確指導(dǎo)門框密封條的開發(fā)。