有限元技術(shù)在密封條實(shí)際問題解決中的應(yīng)用

黃小蘭，張坡，邵喚梅

摘? 要：密封條作為整車密封系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞對整車的密封性、NVH性能、舒適性、美觀性等起著重要的作用。然而在實(shí)際生產(chǎn)裝車過程中，密封條經(jīng)常出現(xiàn)各種問題，如密封反力大、車窗漏雨、密封條與周邊件配合效果差、開門時(shí)密封條唇邊與車身側(cè)圍勾帶摩擦異響等，這些問題使顧客對整車的好感大打折扣。本文運(yùn)用有限元技術(shù)，在密封條斷面設(shè)計(jì)階段或試制初期對其進(jìn)行有限元分析，規(guī)避密封條反力大、漏水、外觀效果差、磨損等問題，為設(shè)計(jì)出符合要求的密封條斷面提供參考依據(jù)，并縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：密封條;ABAQUS;密封反力;漏水;外觀

中圖分類號：U466? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）04-0063-07

The Application of Finite Element Technique In The Practical Problem of Sealing Strip

HUANG Xiao-lan， ZHANG Po， SHAO Huan-mei

（ BYD Auto Industry Company Limited. Shenzhen? 518118， China ）

Abstract： The sealing strip is one of the important components of the vehicle sealing system， its performance affects play an important role in vehicle sealing performance， NVH performance， comfort performance， beautiful performance. However， in the actual loading process， the sealing trip has all kinds of problems， such as the sealing force is too large， the window leak， the sealing strips have a bad appearance with surrounding， the noise genera-based on the sealing strips lip and the sidewall of vehicle body， has abnormal sound on body twist lane， which will give a big discount for vehicle s good feeling. This article use finite element technique set the sealing strip a finite element analysis at the stage of design state， which will avoid large sealing force， water leaks， appearance badness and rattles. It will give a reference to design a requested seal section， which would be shorter development cycles.

前? ? 言

隨著社會的不斷進(jìn)步，汽車行業(yè)的快速發(fā)展，人們對汽車各方面的要求也越來越高，作為汽車重要組成部分的密封條更是如此。汽車密封條作為整車密封系統(tǒng)的重要組成部件之一，具有減振、防水、防塵、隔音、降噪、裝飾等功能[1]，在密封條開發(fā)階段，反力大、漏水、外觀配合效果、磨損及異響是密封條開發(fā)工程師關(guān)注的重點(diǎn)。過去常常需要在密封條樣件出來后，實(shí)車裝配驗(yàn)證時(shí)才能發(fā)現(xiàn)上述問題，再根據(jù)問題對樣件進(jìn)行整改并驗(yàn)證，如此反復(fù)進(jìn)行。本文介紹幾種密封條實(shí)際生產(chǎn)中的常見問題，并通過非線性功能強(qiáng)大的ABAQUS軟件對此類問題進(jìn)行分析并提出解決方案，為后續(xù)車型的密封條設(shè)計(jì)規(guī)避類似問題提供設(shè)計(jì)參考，縮短開發(fā)周期，優(yōu)化密封條產(chǎn)品驗(yàn)證流程，節(jié)約研發(fā)成本。

1? ? 密封條的非線性有限元分析

1.1? ?密封條幾何結(jié)構(gòu)

汽車上采用的密封條主要有車門密封條和門框密封條。部分車型同時(shí)裝配有門縫條、門檻條等輔助密封條。

車門密封條也稱為車門頭道密封條，起主要密封作用。其結(jié)構(gòu)常見有兩種，一種為全海綿膠泡管，另一種由密實(shí)膠基體和海綿膠組成。門條一般通過膠帶或卡扣裝配在車門上，與門框密封條配合，以增加車門與車體的密封作用。

門框密封條顧名思義就是鑲嵌在側(cè)圍門框上的密封條，它通過內(nèi)嵌金屬骨架夾持在側(cè)圍止口上，泡管由海綿膠和密實(shí)膠組成。

密封條配合結(jié)構(gòu)多種多樣，本文主要介紹實(shí)車經(jīng)常出現(xiàn)問題的幾種配合斷面結(jié)構(gòu)，如表1所示：

1.2? ?密封條的材料模型

密封條材料一般由EPDM組成，可分為EPDM 海綿膠和EPDM密實(shí)膠。海綿膠通常和卡扣或膠帶一起固定在車門或車身上，密實(shí)膠內(nèi)嵌有骨架起安裝夾持作用。

EPDM海綿橡膠是一種可壓縮材料，在車門關(guān)閉過程中海綿橡膠的變形包括材料本身的變形和發(fā)泡空隙的變形。Ogden采用λi作為自變量，提出一種適用于海綿橡膠的Foam模型[3]

（1）

式（1）中βi為材料系數(shù)，J=λ1×λ2×λ3。

該模型適用于大變形、高度非線性的彈性材料，同樣適用于可壓縮的海綿橡膠材料，能較準(zhǔn)確的反應(yīng)海綿橡膠的材料特性。通過單軸拉伸、平面剪切和體積試驗(yàn)擬合得到材料參數(shù)。

EPDM密實(shí)橡膠是一種不可壓縮的密實(shí)橡膠，對于橡膠材料，ABAQUS 軟件使用應(yīng)變能而不是應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來描述不可壓縮的橡膠材料特性，本文采用Mooney-Rivilin 模型[4]來描述橡膠材料的特性：

（2）

U——材料的應(yīng)變能函數(shù);

C10、C01——材料彈性常數(shù);

I1、I2——材料變形大小參數(shù)。

EPDM密實(shí)膠的材料參數(shù)用非線性最小二乘法擬合單軸拉伸和平面剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

1.3? ?有限元分析模型的建立

由于密封條在長度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余2個方向的尺寸，在車門關(guān)閉過程中沿長度方向的變形很小，因此密封條可簡化為平面問題。此類問題為平面應(yīng)變問題，作為平面應(yīng)變計(jì)算，長度取100mm。

由于車門或側(cè)圍鈑金、玻璃、門檻踏板等相對于密封條來說剛度較大，因此采用解析剛體來模擬。

將密封條進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸一般選取0.3～0.5mm。單元屬性采用4節(jié)點(diǎn)線性減縮積分四邊形單元，分析時(shí)間短且計(jì)算結(jié)果較精確。

有限元建模思路大體類似，先將密封條固定（卡扣或鋼帶夾持位置），然后將與密封條有干涉的剛體件（如窗框、門外板等）移開，再運(yùn)動至安裝狀態(tài)，最后將側(cè)圍等其他環(huán)境配合件運(yùn)動至裝配狀態(tài)。密封條與剛體之間的摩擦根據(jù)庫倫摩擦模型計(jì)算，摩擦系數(shù)設(shè)為0.35。添加完約束后的網(wǎng)格模型如圖1所示：

1.4? ?分析結(jié)果與評價(jià)

密封條有限元分析的結(jié)果主要包括密封條壓縮過程中的變形姿態(tài)、對環(huán)境配合件（如側(cè)圍）的反作用力即壓縮負(fù)荷，以及密封條接觸長度。

密封條的變形姿態(tài)體現(xiàn)了密封條實(shí)車裝配后的靜態(tài)外觀效果、動態(tài)變形、密封條泡管與鈑金的相對運(yùn)動;壓縮負(fù)荷體現(xiàn)了密封條裝配后對車門的反力，其反力越大關(guān)門越費(fèi)力;密封條的接觸長度體現(xiàn)了密封條裝配后的密封效果，接觸長度越大，密封效果越好。

2? ? 密封條實(shí)際問題解決

2.1? ?密封條反力大

2.1.1 問題描述及原因分析

某車型在S1階段試制時(shí)發(fā)現(xiàn)C柱下段縫條反力大，嚴(yán)重超標(biāo)，要求總反力<15N，實(shí)車測試值如表2所示：

經(jīng)查實(shí)發(fā)現(xiàn)，C柱下段縫條在實(shí)車裝配環(huán)境下，完全被壓實(shí)，而縫條底部及唇邊都為密實(shí)膠，壓實(shí)后反力劇增。造成縫條被壓實(shí)的根本原因?yàn)檐囬T內(nèi)外板的折邊膠，如圖2中紅線所示，膠厚2.5mm左右，在設(shè)計(jì)階段未考慮此膠。

2.1.2 整改方案及效果

運(yùn)用有限元技術(shù)仿真對比考慮折邊膠和不考慮折邊膠，C柱下段縫條的壓荷仿真對比如表3所示：

由結(jié)果可知，該車型現(xiàn)有C柱下段縫條斷面在考慮折邊膠情況下的壓荷偏大，需要調(diào)整密封條斷面以減小壓荷。

根據(jù)仿真結(jié)果，將該車型的C柱下段縫條斷面的膠條分界線和壓縮量進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，更改前后對比如下表4：

由結(jié)果可知，該車型C柱下段縫條斷面調(diào)整后反力明顯減小。按最新斷面擠出實(shí)物在實(shí)車測試，符合總反力<15N要求。

2.2? ?密封條漏雨

2.2.1 問題描述及原因分析

某車型在S1試制階段進(jìn)行淋雨試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)后門側(cè)開玻璃存在漏雨現(xiàn)象。

由于該車型的后門玻璃采用側(cè)開形式，且該處僅一道密封，而該處的密封條泡管是帶多個凸點(diǎn)的，如圖4所示。初步分析泡管與玻璃密封貼合不緊，造成密封效果差，使雨從外面通過泡管凸點(diǎn)處的縫隙滲透進(jìn)車內(nèi)，導(dǎo)致漏雨。

2.2.2 整改方案及效果

運(yùn)用ABAQUS軟件對現(xiàn)有側(cè)開玻璃密封條進(jìn)行非線性有限元分析，得到其壓荷曲線和壓縮變形圖如圖5和圖6所示：

從圖中可看出密封條的接觸長度較小，且各凸點(diǎn)之間都有縫隙，貼合性不好，雨水很容易滲透進(jìn)去。測量其接觸長度僅為2.65mm，主要原因在于泡管上的凸點(diǎn)。將密封條泡管上的凸點(diǎn)取消，同時(shí)增大密封條的壓縮量，新密封條斷面如圖7所示。將新密封條斷面進(jìn)行分析，得到其壓荷曲線和壓縮變形圖如圖8和圖9所示，壓荷與舊斷面接近，新舊斷面d0位置的壓荷為別為10.24N /100mm和9.85 N/100mm，從變形圖可知密封條的接觸長度得到很大提高，密封條與玻璃接觸緊密，測量其接觸長度為5.44mm。將新密封條斷面的樣件裝到車上進(jìn)行淋雨試驗(yàn)，漏雨問題得到有效改善。

2.3? ?密封條與周邊件配合效果差

2.3.1 問題描述及原因分析

某車型的門檻踏板位置存在鼓包問題，如圖10所示。由于密封條唇邊與A柱下飾板配合不良（圖10圓圈處），導(dǎo)致踏板裝配不到位造成鼓包。

2.3.2 整改方案及效果

運(yùn)用ABAQUS軟件對框條唇邊進(jìn)行裝配分析，得到框條唇邊變形形狀如圖12所示。從圖中可以看到，框條唇邊與A柱下飾板處于擠壓狀態(tài)，踏板再與A柱下飾板配合時(shí)由于受到框條的擠壓從而形成鼓包。根據(jù)框條唇邊變形后的形狀重新設(shè)計(jì)A柱下護(hù)板尺寸。變更前后如圖13所示，變更后的框條唇邊與A柱下護(hù)板處設(shè)計(jì)配合如圖14所示，實(shí)車配合外觀效果如圖15所示，從實(shí)車配合外觀看，改善效果良好。

2.4? ?開門時(shí)密封條唇邊與側(cè)圍勾帶磨損

2.4.1 問題描述及原因分析

某車型在S1試制期間發(fā)現(xiàn)，C柱位置的門條唇邊異常磨損，直接影響門條的外觀效果。經(jīng)實(shí)車排查原因發(fā)現(xiàn)，在車門打開過程中可聽到門條唇邊與側(cè)圍玻璃膠條有勾帶摩擦異響聲，長期的開關(guān)門造成門條唇邊有磨損痕跡。C柱位置的門條與側(cè)圍玻璃膠條配合情況如圖16所示，磨損部位見圖16中圓圈所示：

2.4.2 整改方案及效果

運(yùn)用ABAQUS軟件對C柱門條進(jìn)行開門運(yùn)動過程分析，發(fā)現(xiàn)門條唇邊在開門過程中不順暢，存在勾帶現(xiàn)象。打開過程中門條唇邊的運(yùn)動形態(tài)如表6所示。從開門過程中門條唇邊的變形效果看，主要原因?yàn)閭?cè)圍玻璃膠角度與車門運(yùn)動方向垂直，導(dǎo)致門條唇邊在車門打開過程受擠壓。對側(cè)圍玻璃膠條進(jìn)行調(diào)整如圖17所示，對更改后的斷面進(jìn)行有限元仿真，門條唇邊在開門過程中，沒有勾帶現(xiàn)象，開門順暢。將更改后的側(cè)圍玻璃膠條裝車，沒有再出現(xiàn)門條唇邊磨損現(xiàn)象，問題得到解決。

總? ? 結(jié)

密封條作為整車密封系統(tǒng)組成不可缺少的一部分，其在實(shí)車裝配中經(jīng)常遇到各種各樣的問題。本文通過運(yùn)用有限元技術(shù)，對密封條實(shí)際裝車過程中容易出現(xiàn)的如反力大、漏雨、外觀效果差、磨損等問題提供解決方案。為后續(xù)車型密封條的斷面設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用有限元技術(shù)進(jìn)行密封條分析，避免試制階段對樣件的反復(fù)修改和多輪試裝，從而縮短密封條產(chǎn)品開發(fā)周期，優(yōu)化密封條驗(yàn)證流程，節(jié)約設(shè)計(jì)開發(fā)成本，提升密封條產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力。對密封條的斷面設(shè)計(jì)總結(jié)如下：

（1）對縫條類密封條斷面，需考慮車門間隙面差和折邊膠的影響;

（2）僅一道密封的密封條斷面，泡管不能采用帶多個凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu);

（3）密封條的外觀效果，需根據(jù)裝配要求進(jìn)行仿真分析，提前預(yù)知裝配后的變形姿態(tài);

（4）C柱角窗位置，帶唇邊類的密封條斷面需進(jìn)行開門運(yùn)動校核，避免唇邊被勾帶粘連產(chǎn)生磨損和異響。

參考文獻(xiàn)：

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黃小蘭

畢業(yè)于南昌大學(xué)車輛工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司，高級車身驗(yàn)證工程師，主要從事開閉系統(tǒng)性能驗(yàn)證相關(guān)工作。