基于CAE的汽車行李箱密封條缺陷分析及改進(jìn)

吳軍杰

(上汽大眾汽車有限公司儀征分公司，江蘇 揚(yáng)州 211401)

目前計(jì)算機(jī)輔助工程 (computer aided engineering，CAE)技術(shù)已在輔助產(chǎn)品正向開發(fā)方面獲得廣泛應(yīng)用，但在缺陷分析及質(zhì)量優(yōu)化提升方面的應(yīng)用尚有欠缺。充分利用CAE技術(shù)分析相關(guān)后期缺陷問題，不僅在理論上為解決產(chǎn)品存在的問題提供參考依據(jù)，而且在實(shí)際工作中能夠積累經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)相關(guān)問題的優(yōu)化改進(jìn)。

本文基于CAE技術(shù)，針對汽車行李箱密封條漏水問題，研究密封條裝配后拐角處表面塌陷導(dǎo)致行李箱漏水的原理及改進(jìn)措施。

1 缺陷問題概述

本案例漏水點(diǎn)在某三廂小客車行李箱左下角處，如圖1所示。行李箱蓋關(guān)閉后，密封條海綿膠受壓變形，在后備箱左下角處出現(xiàn)了明顯塌陷，與行李箱蓋鈑金形成非接觸空間，失去密封作用。在雨淋試驗(yàn)過程中，水沒有被隔絕于車外，而是順著塌陷區(qū)域，滲入到扣邊與海綿膠的凹槽中。

圖1 密封條塌陷位置

經(jīng)過現(xiàn)場確認(rèn)，初步分析有兩個(gè)原因：1)裝配密封條的車身鈑金止口R角弧度偏小，嚴(yán)重?cái)D壓密封條，從而產(chǎn)生表面變形而塌陷；2)密封條自身狀態(tài)異常導(dǎo)致變形塌陷。

在現(xiàn)場，鈑金的狀態(tài)較難分析，因此先對密封條進(jìn)行分析。對外觀進(jìn)行檢查及剖切后，發(fā)現(xiàn)圓形海綿膠內(nèi)部左、右兩側(cè)，各有一直徑約1 mm的凹槽，如圖2所示。

圖2 缺陷密封條剖面

對剖面形狀分析得出，行李箱蓋關(guān)閉后，海綿膠兩側(cè)凹槽處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致海綿膠車身鈑金止口R角弧變形塌陷。為進(jìn)一步核實(shí)問題原因，下面運(yùn)用CAE技術(shù)進(jìn)行相關(guān)理論分析與驗(yàn)證。

2 橡膠密封條材料模型

汽車行李箱橡膠密封條，材料為三元乙丙橡膠(ethylene propylene diene monomer，EPDM)，其主鏈由化學(xué)性能穩(wěn)定的飽和烴組成，因具有耐熱、耐臭氧、耐老化等特性，被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用。橡膠密封條由海綿膠、實(shí)心膠和金屬骨架組成，如圖3所示。

圖3 行李箱橡膠密封條結(jié)構(gòu)

現(xiàn)實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)中，為方便分析，通常對零件模型簡化處理，如對無關(guān)區(qū)域進(jìn)行剪切處理等。

2.1 海綿膠材料模型

海綿膠為發(fā)泡橡膠，屬于可變形材料，1972年R.W.Ogden以主伸長作為自變量，提出發(fā)泡材料模型[1-2]：

(1)

式中：λi(i=1,2,3)為主拉伸長比；μi，αi和βi為材料常數(shù)，根據(jù)相關(guān)材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定；J為壓縮體積變化率。

EPDM海綿膠定義密度為0.6 g/cm3，其材料模型擬合參數(shù)見表1。

表1 EPDM海綿膠擬合參數(shù)

2.2 實(shí)心膠材料模型

實(shí)心膠一般被視作不可變形材料，其應(yīng)變能函數(shù)可參考由Mooney-Rivlin提出的應(yīng)變能[3]：

W2=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(2)

(3)

(4)

式中：I1,I2為應(yīng)變張量的兩個(gè)不變量；C1,C2為材料常數(shù)，可由試驗(yàn)確定。

3 缺陷零件CAE分析

3.1 密封條剖面準(zhǔn)備

將密封條剖面修剪平整，無毛刺，無飛邊，盡量避免其他因素可能造成的影響，并進(jìn)行實(shí)際輪廓的描繪。

3.2 CAE網(wǎng)格模型建立

本文實(shí)驗(yàn)中，為提高準(zhǔn)確性，依照實(shí)際輪廓測量數(shù)據(jù)并修整模型，使其與實(shí)物狀態(tài)匹配。模擬假設(shè)實(shí)心膠明顯變形，但不影響海綿膠的狀態(tài)，因此引起汽車行李箱漏水的重點(diǎn)因素是海綿膠的實(shí)際塌陷變形。

利用HyperMesh軟件對模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm。為減少計(jì)算時(shí)間，視行李箱橡膠密封條金屬骨架及內(nèi)測實(shí)心膠為完全剛體，劃分較稀疏的網(wǎng)格。由于密封條完全匹配車身鈑金止口，因此將其視為鈑金的一部分，計(jì)算獲得海綿膠的變形量。圖4所示為缺陷密封條橡膠網(wǎng)格模型。

圖4 密封條網(wǎng)格模型

3.3 分析結(jié)果

以Msc.Marc作為求解器進(jìn)行分析計(jì)算[4]，得到圖5所示的密封條CAE分析云圖，由圖可見，密封條折彎區(qū)域有不同程度的變形，狀態(tài)與實(shí)際缺陷情況吻合。

圖5 缺陷件CAE分析云圖

本文僅針對缺陷密封條進(jìn)行分析討論。實(shí)際上車身鈑金尺寸偏差及裝配偏差等因素對行李箱漏水也有不同程度的影響，由于篇幅所限，文中不再贅述。

通過CAE分析可以看出，內(nèi)壁增加凹槽減小壓縮荷載，可能導(dǎo)致海綿膠表面塌陷從而使行李箱漏水，因此需要對密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

4 密封條改進(jìn)方法

4.1 海綿膠內(nèi)壁凹槽優(yōu)化

對密封條內(nèi)壁凹槽連接區(qū)域進(jìn)行平滑過渡優(yōu)化，能夠明顯消除海綿膠在擠壓變形時(shí)應(yīng)力集中導(dǎo)致的突變，達(dá)到優(yōu)化的目的，圖6所示為優(yōu)化后的凹槽平滑過渡剖面。

圖6 凹槽平滑過渡剖面

4.2 海綿膠壁厚量化分析

理論上，調(diào)整海綿膠的壁厚既可改變其相關(guān)性能，又可使密封條沒有應(yīng)力集中點(diǎn)。但實(shí)際生產(chǎn)中，可能會(huì)影響工藝調(diào)整甚至模具維護(hù)，效率不高，不具備現(xiàn)實(shí)意義。本文單獨(dú)從壁厚角度進(jìn)行了相關(guān)定量分析，具體如圖7所示。

圖7 壁厚定量分析示意圖

由圖分析得出，當(dāng)壁厚誤差小于下限-0.2 mm時(shí)，會(huì)出現(xiàn)表面應(yīng)力變形，即壁厚越薄，海綿膠表面塌陷變形越大。以上結(jié)論是在理論設(shè)定條件下得出，由于實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)受到材料本身特性及相關(guān)生產(chǎn)工藝的影響，因此CAE分析結(jié)果與實(shí)際零件受力情況會(huì)有差別，在此僅作參考。

基于以上分析，對壁厚為1.0 mm但公差超過0.2 mm(理論1.4±0.2 mm)進(jìn)行過凹槽平滑過渡的密封條，在裝車驗(yàn)證前進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化件CAE驗(yàn)證分析

由圖可以看出，優(yōu)化后的密封條并未有泡管局部塌陷的缺陷，可以進(jìn)行實(shí)際裝車驗(yàn)證。在原來裝有缺陷密封條的車上及新車上進(jìn)行了各3件次匹配驗(yàn)證，均未復(fù)現(xiàn)海綿膠塌陷缺陷問題，說明本文的分析結(jié)果正確，改進(jìn)措施有效，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化驗(yàn)證無塌陷

5 結(jié)束語

本文基于CAE對某小型客車行李箱密封條塌陷漏水問題進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果顯示密封條海綿膠內(nèi)壁增加凹槽雖然可以優(yōu)化性能，但大概率會(huì)在折彎處塌陷變形從而導(dǎo)致漏水。對海綿膠內(nèi)壁凹槽連接區(qū)域進(jìn)行平滑優(yōu)化，同時(shí)保證壁厚公差不超過0.2 mm，可以避免海綿膠折彎區(qū)域出現(xiàn)表面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。