垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱密封條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

黃長纓

（上海環(huán)境物流有限公司，上海 200033）

隨著城市化進程的加快，城市生活垃圾的產(chǎn)生量迅速增大[1]。生活垃圾需要應用集裝箱進行轉(zhuǎn)運，由于垃圾液的腐蝕以及轉(zhuǎn)運中各種工況的影響，會導致垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，而密封條在集裝箱密封中起關(guān)鍵作用。

集裝箱用密封條是典型的壓縮型密封條，在與尾門相互作用的過程中顯現(xiàn)出復雜的力學特性，設(shè)計階段需著重考慮其壓縮負荷，以便滿足設(shè)計要求[2-3]。國內(nèi)外已有學者使用有限元分析軟件對密封條結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。蔣明明[4]將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，得出密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與壓縮負荷、應力等的非線性全局映射關(guān)系。付治存[5-6]利用Ansys有限元分析軟件對密封條進行結(jié)構(gòu)分析，通過對密封條的結(jié)構(gòu)尺寸重新設(shè)計以及對應力變形進行計算，最終使密封條的壓縮負荷滿足設(shè)計目標要求。陶志軍等[7]利用MSC和Marc非線性有限元軟件模擬車窗密封條亮條與本體的安裝過程，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格處理方法對密封條的模擬結(jié)果有著顯著影響，并通過與3D模型和成品試驗對比，調(diào)整設(shè)計密封條的圓角處網(wǎng)格尺寸，同時對其接觸部位的網(wǎng)格尺寸及質(zhì)量進行嚴格控制，得到了較好的模擬結(jié)果。馮新建等[8]基于Ansys有限元分析軟件，以某一車型的車門密封體為例，借助于非線性有限元運算技術(shù)對汽車密封條設(shè)計展開了深入分析，并實現(xiàn)了將密封條的壓縮力限制于（2.5±1.5） N的區(qū)間內(nèi)，達到了規(guī)定的設(shè)計技術(shù)要求。胡強等[9]針對傳統(tǒng)有限元模擬難以同時對密封條泡狀管結(jié)構(gòu)的多個參數(shù)進行優(yōu)化的問題，提出了聯(lián)合Sculptor，Abaqus，Meta和Isight等軟件的多目標優(yōu)化方法，綜合考慮密封條泡狀管的壁厚和寬度兩個參數(shù)的相互影響，得到了壓縮負荷與接觸寬度優(yōu)化的密封條泡狀管結(jié)構(gòu)。謝貴山等[10]通過Marc軟件分析車身側(cè)密封條的斷面壓縮變形與壓縮力曲線，根據(jù)壓縮力峰值優(yōu)化密封條的斷面形狀，從而減小密封條的壓縮力，并通過關(guān)門速度試驗，驗證所設(shè)計的密封條滿足設(shè)計要求。王斌等[11]對車門密封條的斷面進行了優(yōu)化設(shè)計，并利用CAE軟件進行理論分析，通過對密封條的斷面優(yōu)化設(shè)計和車門內(nèi)間隙的調(diào)整，成功優(yōu)化了某款轎車車門的關(guān)閉力。W.F.ZHU等[12]利用有限元軟件模擬汽車密封條在壓縮過程中的變形狀態(tài)，并應用Mooney-Rivlin模型對密封條進行了材料結(jié)構(gòu)改進，得到性能優(yōu)良的密封條。劉紅波等[13]探討了兩種轎車尾門密封條的防漏水設(shè)計方法以及尾門的漏水問題解決方法，通過實例對密封面輪廓突變引起的漏水問題進行分析，并運用有限元仿真方法，對密封條的截面進行了優(yōu)化設(shè)計，為尾門密封結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計和優(yōu)化提供了有效方法。王曉輝等[14]針對某裝備駕駛門密封結(jié)構(gòu)特點，研究密封條幾何設(shè)計參數(shù)對密封性能的影響，選取駕駛門密封條的截面參數(shù)作為設(shè)計變量，對密封條的靈敏度進行分析，并建立密封條的接觸壓力與幾何截面參數(shù)之間的關(guān)系，基于分析結(jié)果，完成了密封條的幾何構(gòu)形改良設(shè)計，給出了滿足工程要求的設(shè)計方案。

本研究密封條為上海市虎林路碼頭濕垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱用熱塑性聚酯彈性體（TPEE）密封條，該垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱為車船兩用集裝箱，因此密封條所處環(huán)境惡劣，需要較大的壓縮負荷，對密封條的材料和構(gòu)形等要求也高。本研究結(jié)合有限元分析軟件對垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱尾門處密封條進行優(yōu)化設(shè)計與分析，對密封條的結(jié)構(gòu)以及形狀進行改進，以提高密封條的耐久性能和降低密封條的綜合成本。

1 模型建立

1.1 幾何模型

原密封條的截面包括呈山峰狀的上層部分以及帶倒角的下層部分，中間開有一個矩形槽，矩形槽的四角為直角，兩側(cè)邊有倒刺形狀的凸起，共10個倒刺，密封條的實物如圖1（a）所示。測試得出密封條的總寬度為40 mm，總高度為54 mm，上層部分的最低端距離矩形槽的頂端為10 mm，矩形槽的尺寸為24 mm×16 mm，倒刺高度為4 mm，應用繪圖軟件繪制的密封條的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

1.2 材料模型

由于超彈性材料具有多重非線性的特點，為計算求解方便，在對TPEE制品的應力與應變分析中，用Mooney-Rivlin模型來描述TPEE材料的超彈性特性。

本工作用應變能密度函數(shù)（W）來表征超彈性材料的特性，對其求應變分量的一階導數(shù)，用式（1）表示[15]：

TPEE材料具有不可壓縮性，當其受到外負荷時體積不變，受力前后的體積比為1：1，即J＝1。

根據(jù)單軸拉伸試驗，可得出TPEE材料的變形和所受負荷的變化關(guān)系，由該變化關(guān)系計算出一系列伸長率λ1和與其對應的應力σ1，再根據(jù)λ1和σ1計算出式（14）中的X和Y，并通過Matlab軟件擬合式（14）直線，則C10為該直線的截距，C01為該直線的斜率，因此可對密封條的材料屬性進行設(shè)置。

1.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

模擬集裝箱門的關(guān)閉過程，需充分考慮邊界條件及接觸關(guān)系。本試驗密封條采用TPEE材料，接觸類型為摩擦接觸，在箱門關(guān)閉過程中會通過TPEE材料的擠壓以及摩擦接觸來實現(xiàn)車門的關(guān)閉[16-19]。以原密封條作為基準進行分析，仿真試驗將箱體位置固定，只對箱門進行移動，將箱體和箱門設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼材料，然后進行接觸設(shè)置，仿真分析中將箱門與箱體的距離設(shè)置為14 mm，箱門的位移為6 mm，即密封條的壓縮量為6 mm，將密封條與箱體和箱門間的接觸設(shè)置為摩擦接觸，且有4對摩擦接觸對。

通過測量原密封條的實際尺寸，建立其幾何模型并建立材料模型，其中C10和C01分別取0.28和0.06。密封條的材料模型建立后進行網(wǎng)格劃分。原密封條模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

為驗證節(jié)點數(shù)對有限元分析的影響，選取5處應力較集中的點對密封條進行網(wǎng)格劃分（見圖2）。倒刺部分采用0.1 mm網(wǎng)格，其他部分采用2 mm網(wǎng)格，并分別取上下浮動10%的網(wǎng)格尺寸精度進行計算。本工作分別取1.8（0.09），2.0（0.10）和2.2（0.11） mm的3種網(wǎng)格尺寸（倒刺網(wǎng)格尺寸）對密封條進行網(wǎng)格劃分，密封條的應力云圖如圖3所示，網(wǎng)格獨立性分析結(jié)果如圖4所示。密封條的網(wǎng)格尺寸（倒刺網(wǎng)格尺寸）為2.0（0.10） mm時，其上下浮動10%，密封條的應力變化不超過6%，滿足網(wǎng)格獨立性要求。

2 密封條的有限元分析

2.1 原密封條的性能分析

通過對原密封條進行網(wǎng)格劃分、接觸設(shè)置、負荷加載和約束設(shè)置等操作并進行仿真試驗得到原密封條的應力和應變云圖，如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，原密封條上層頂點以及中間最低端處的應力較大，局部達到了5.831 MPa，經(jīng)過長期開關(guān)門的作用以及垃圾液的腐蝕，這些應力較集中的地方會發(fā)生龜裂，從而導致密封不嚴，縮短了密封條的使用壽命。

從圖5（b）可以看出，靠近箱門密封條底部的過盈量較小，而接近密封條出口位置的過盈量相對較大，密封條的接觸長度為29.1 mm，即壓縮后密封條出口位置的接觸長度小，存在接觸不夠，且密封條頂端有兩個突起頂峰，中間凹陷部分容易夾帶雜物。

因此，基于對原有密封條的應力與應變分析，其優(yōu)化準則為在保證單位長度密封條提供的最小接觸力達標的情況下，增大密封條的接觸長度、減小密封條的內(nèi)應力以及適當調(diào)整過盈應力大小和分布。

2.2 密封條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 截面設(shè)計

密封條的截面壓縮變形仿真分析采用Ansys有限元分析軟件進行，并應用草圖繪制軟件對密封條的截面形狀進行設(shè)計。根據(jù)原密封條的受力情況和實際使用情況，共設(shè)計了3種截面形狀的密封條，如圖6所示。1#方案將原密封條內(nèi)的矩形槽分為上部為橢圓和下部為梯形的組合結(jié)構(gòu)，且對應力集中部分進行倒圓角；2#方案將原密封條內(nèi)的矩形槽分為上部2個橢圓和下部1個梯形的組合結(jié)構(gòu)，并使鏤空部分盡可能圓滑，以減少應力集中；3#方案將原密封條內(nèi)的矩形槽分為上部為帶圓弧的梯形槽和下部為矩形槽的組合結(jié)構(gòu)，且各轉(zhuǎn)角倒圓角，盡可能減少應力集中。

2.2.2 初步優(yōu)化方案

將3種初選方案簡化分析，即取其截面進行應力與應變有限元分析，1#—3#方案密封條的壓縮變形云圖如圖7所示。

對1#—3#方案密封條進行仿真分析可得，其最大應力分別為4.62，2.44和5.78 MPa，平均內(nèi)應力分別為0.31，0.69和0.45 MPa，接觸長度分別為47.5，41.5和32.3 mm，橫截面積分別為1 375.4，1 541.5和1 338.7 mm2。

2.2.3 1#方案的二次優(yōu)化

由仿真結(jié)果可得：2#方案密封條的最大應力雖然較小，但橫截面積大，綜合成本較高；3#方案密封條的各項性能指標都相對較差。綜合考慮經(jīng)濟性和力學性能，1#方案密封條更符合設(shè)計要求。

影響密封條壓縮負荷的因素有很多，包括材料的硬度、唇邊的厚度、凹槽的形狀以及結(jié)構(gòu)尺寸等，通過對密封條進行密封性能分析，加載負荷為密封條表面的壓力和箱體的位移約束，在1#方案的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了以下3種優(yōu)化設(shè)計方案。

（1）增大密封條的總寬度和總高度，減小上層厚度（方案1）。具體為將密封條總高度增大為58 mm，總寬度增大為44.11 mm，橢圓孔尺寸設(shè)為28 mm×14 mm，上層厚度減小為5 mm，中間層厚度設(shè)為5.5 mm，下層厚度設(shè)為9.5 mm。方案1密封條的截面如圖8（a）所示。

（2）增大密封條的總寬度、總高度和上層部分橢圓孔長徑（方案2）。具體為將密封條上層寬度增大為50 mm，總高度增大為58 mm，橢圓孔尺寸設(shè)為38 mm×14 mm，下層厚度增大為9.5 mm，中間層厚度設(shè)為5.5 mm，上層厚度減小為5 mm，且下孔改為帶圓角的梯形。方案2密封條的截面如圖8（b）所示。

（3）增大密封條的總高度、總寬度、下層寬度和下層厚度，減小中間層寬度（方案3）。具體為將密封條的總高度增大為58 mm，總寬度增大為44.11 mm，上橢圓孔尺寸設(shè)為24 mm×14 mm，上層厚度減小為5 mm，下層厚度增大為9.5 mm，中間層厚度設(shè)為5.5 mm，中間層寬度設(shè)為28 mm。方案3密封條的截面如圖8（c）所示。

通過仿真分析可得，方案1—3的接觸長度分別為42，35和46 mm，平均內(nèi)應力分別為0.35，0.29和0.29 MPa，最大內(nèi)應力分別為3.15，3.88和3.09 MPa，橫截面積分別為1 329.8，1 378.6和1 382.1 mm2。

2.3 優(yōu)化密封條的性能評價

通過仿真結(jié)果可知：方案2密封條的性能較差，橫截面積也較大；方案3密封條的最大內(nèi)應力和接觸長度與方案1密封條相差不大，但是橫截面積比方案1密封條大52.3 mm2。綜合性能與成本考慮，方案1密封條最符合要求。

對比優(yōu)化前后密封條的仿真數(shù)據(jù)可得，優(yōu)化密封條的最大內(nèi)應力減小了46.0%，平均內(nèi)應力增大了12.9%，在接觸力降低5%的情況下接觸長度增大了44.3%，橫截面積減小了3.5%。優(yōu)化密封條的應力和應變云圖如圖9所示。

對圖9（a）和5（a）分析得出，優(yōu)化密封條的接觸應力比原密封條減小了60.2%。

3 裝載運行效果

密封條的實際裝載狀態(tài)如圖10所示。原密封條裝載使用6個月后產(chǎn)生嚴重的非壓縮變形現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生局部龜裂，進而出現(xiàn)密封不嚴、垃圾液漏出情況，如圖11所示。

圖12為優(yōu)化密封條使用6個月后的截面實拍圖，其基本沒有出現(xiàn)非壓縮變形和龜裂現(xiàn)象，在各種轉(zhuǎn)運工況下也未出現(xiàn)垃圾液漏出情況，很好地解決了原密封條存在的漏液問題。

4 結(jié)論

本工作通過Ansys有限元分析軟件對密封條進行了受力變形分析和截面優(yōu)化設(shè)計，針對密封條的實際轉(zhuǎn)運工況進行了二次優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化前后的密封條進行了實際裝載運行試驗，得出結(jié)論如下。

（1）原密封條存在接觸長度小和內(nèi)應力大的問題。

（2）通過優(yōu)化設(shè)計密封條的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸，優(yōu)化后密封條的接觸長度增大了44.3%，最大應力和接觸應力分別減小了46.0%和60.2%。

（3）優(yōu)化密封條裝載后使用時間長，不易變形，解決了垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱漏液問題，其綜合使用成本較低。