基于有限元分析研究CLD值對車門關(guān)閉力的影響

汽車工業(yè)經(jīng)過快速發(fā)展，目前已經(jīng)在各國經(jīng)濟中逐漸扮演起了支柱產(chǎn)業(yè)的角色。各個主機廠都在持續(xù)致力于優(yōu)化自身產(chǎn)品的質(zhì)量，而車門關(guān)閉力又是客戶最為關(guān)注的質(zhì)量問題之一。近年來，車門關(guān)閉力的研究也逐漸受到學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注。影響車門關(guān)閉力的因素有很多，包括密封條、內(nèi)間隙、鉸鏈、門鎖、限位器以及空氣壓阻等。其中密封系統(tǒng)和空氣壓阻的相關(guān)研究占了很大比重，但由于空氣壓阻的優(yōu)化實現(xiàn)較難且可能造成其他負面影響，所以優(yōu)化密封系統(tǒng)中密封條的參數(shù)或形狀成為了目前研究的重點方向，如WagnerDA等[1]、Hyung-ilMoon等[2]均通過構(gòu)建密封條幾何模型和仿真，對密封條參數(shù)進行了有效優(yōu)化。

CAE（ComputerAidedEngineering）技術(shù)又稱計算機輔助工程技術(shù)，是由研究學(xué)者為解決工程中的許多問題而建立起來的一種研究問題的方法，其中的有限元分析技術(shù)歷經(jīng)幾十年的研究摸索，已經(jīng)逐步成為解決工程問題最有效的方法之一。在眾多有限元分析軟件中，Abaqus因其多樣的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而備受青睞。如吳文濤等使用Abaqus對密封條進行了有限元模型建立，對密封條的應(yīng)力場分布進行了分析。為了更好地優(yōu)化車身質(zhì)量，以滿足客戶需求，本文使用Abaqus軟件對奔馳某車型進行了有限元分析，來研究密封條CLD值與車門關(guān)閉力之間的關(guān)系。

幾何模型的建立

本文針對密封條變形時的非線性特性選擇合適的本構(gòu)模型，利用Abaqus軟件建立奔馳某車型車門旋轉(zhuǎn)關(guān)閉過程中密封條的壓縮工況二維平面仿真模型。

1.密封條幾何模型建立

車頭道密封條由三部分構(gòu)成：海綿橡膠、密實橡膠以及骨架。其中海綿橡膠（泡管）主要用來承受由于車門關(guān)閉產(chǎn)生的壓縮載荷，同時消除車門與側(cè)圍間的斷差間隙，通過與鈑金或者裝飾件配合，利用受壓后產(chǎn)生的力達到密封作用；鋼帶骨架用于保持密封條的形狀和卡緊在其他連接體上，比如側(cè)圍門框。

使用Abaqus軟件導(dǎo)入密封條各部分的幾何模型，并依照實際工況中的裝配關(guān)系進行密封條裝配平面仿真模型的建立，結(jié)果如圖1所示。

2.密封條裝配幾何模型建立

在車輛關(guān)門特性研究當(dāng)中，汽車左前門的關(guān)門特性是具有代表性的。因此，本文采用1/4白車身和左前門車門總成，進行有限元模型的搭建。

模型搭建完成后，需要對模型進行邊界條件的設(shè)置。關(guān)門過程的輸入條件即為關(guān)門初速度，旋轉(zhuǎn)軸選取上下鉸鏈中兩個中心點所構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)軸，方向為負方向，關(guān)門初速度設(shè)定為-1.26rad/s，車門開度設(shè)置為 。然后進行分析步的設(shè)置，將分析類型選為顯式動力學(xué)分析，分析時長1s，最大增量步0.001，并建立Z軸負方向的重力加速度模擬真實實驗狀態(tài)。

網(wǎng)格單元的尺寸會直接影響分析過程的耗時和整個模型的準確性，本文中車門和車身側(cè)圍部分網(wǎng)格大小均為 8 m m ，選取所有需要劃分網(wǎng)格的板件統(tǒng)一進行劃分，網(wǎng)格劃分完成后檢查網(wǎng)格的質(zhì)量并對質(zhì)量差的網(wǎng)格進行優(yōu)化。劃分好的1/4白車身、左前門總成模型如圖2所示。

進行有限元模擬時，為了最大程度對現(xiàn)實中的工作條件進行還原，需要在劃分網(wǎng)格后進行屬性和材料參數(shù)的賦予，在本文的分析中，需要對車門和車身、玻璃、焊點和膠進行材料屬性的賦予，材料參數(shù)見表1。

結(jié)果分析

在研究膠皮條CLD值對車門關(guān)閉力的影響時，考慮到密封條影響關(guān)門力是通過改變其在受壓狀態(tài)下的密封反力來實現(xiàn)的，而且密封反力也是研究靜態(tài)關(guān)門力時的主要考察對象，所以此部分中使用密封反力來代表關(guān)門力進行分析。

考慮到變截面密封條的分段原則，且長度較大的密封條三維模擬仿真時難度較大，本文采用區(qū)間疊加的擬合方法來進行頭道密封條的車門密封反力模擬，如圖3所示，車門密封系統(tǒng)基于曲率特性被分成了八個部分。采用此種分段方法可以減少網(wǎng)格數(shù)量從而提高仿真的計算效率，且有利于計算精準性的提升。在計算最終的密封反力時，將此八個部分的密封反力相加即可得到最終結(jié)果。

實際生產(chǎn)時，一般使用的膠皮條CLD值范圍是（ 5 . 1 ± 2 ）N，根據(jù)此范圍選用了十個不同的CLD值建立模型進行分析，這里選取了其中的四組數(shù)據(jù)進行展示。對使用不同CLD值密封條的車門及側(cè)圍建立分析模型并進行計算后，得到頭道密封條的應(yīng)力仿真結(jié)果。分段密封反力模擬結(jié)果和總計結(jié)果見表2?？梢钥闯?，隨著密封條CLD值的增加，車門各個分段以及總密封反力都呈現(xiàn)上升的趨勢。平直段（ ② 、 ④ 、 ⑥ ，⑧ ）和大曲率段（ ① 、 ③ 、 ⑤ 、 ⑦ ）的密封反力存在差異，這是由于近似平直段在車門關(guān)閉過程中，鈑金壓縮方向恒定，最終壓縮量偏差不大，而如A柱、B柱拐角段的大曲率安裝輪廓不僅會導(dǎo)致密封膠條產(chǎn)生裝配變形與應(yīng)力，而且會改變鈑金壓合方向，進而產(chǎn)生差異。

將十個不同CLD值的密封條計算出的總密封力繪制成曲線，如圖4所示。

從上述模擬結(jié)果可以看出，隨著密封膠條的CLD值逐漸升高，車門關(guān)閉力也會呈現(xiàn)總體上升的趨勢，且在CLD處于約 1 3 . 1 ～ 4 . 8 N 和 1 5 . 9 ～ 7 . 1 N 時，車門關(guān)閉力隨著CLD值增長較快，而在 4 . 8 ～ 5 . 9 N 時，車門關(guān)閉力趨于平穩(wěn)。所以選擇CLD值為 4 . 8 ～ 5 . 9 N 的膠皮條為最優(yōu)選擇。

實際生產(chǎn)中使用BeDa設(shè)備進行關(guān)門力測量，其測量單位為設(shè)備的伸長長度，單位為mm。使用此設(shè)備對模擬得出的結(jié)論進行驗證，結(jié)果表明，該車型在使用模擬得出的最佳CLD值范圍 4 . 8 ～ 5 . 9 N 時，其車門關(guān)閉力符合奔馳質(zhì)量部制定的某車型關(guān)門力標準（30～ 1 1 0 m m? ），且關(guān)門力處于合格范圍內(nèi)的最佳穩(wěn)定中值狀態(tài)（ 6 0 ～ 8 0 m m） 。故在實際生產(chǎn)該車型時，為保證客戶車關(guān)門力的穩(wěn)定性，膠皮條的CLD值選擇在4.7～ 5 . 8 N 范圍內(nèi)為最佳。該擬合結(jié)果可用于指導(dǎo)該車型生產(chǎn)，且對其他車型具有重要借鑒意義。

結(jié)語

本文以奔馳某車型為例，通過有限元分析方法精確模擬出了車門在關(guān)閉過程中的應(yīng)力分布，得到了車門關(guān)閉力隨著密封條CLD值變化的趨勢。根據(jù)CLD-車門關(guān)閉力曲線確定了該車型最佳的膠皮條CLD值范圍4 . 8 ～ 5 . 9 N ，并結(jié)合奔馳某車型實際生產(chǎn)中的質(zhì)量考核標準進行了驗證，結(jié)果表明在此范圍內(nèi)，該車型車門關(guān)閉力處于最穩(wěn)定的中值狀態(tài)。

參考文獻：

[1]WagnerDA，MormanKN，GurY，etal.Nonlinearanalysis of automotive door weatherstrip seals[J].FiniteElementsinAnalysisamp;Design，1997，28（1）：33-50

[2]MoonH，KimH，KimDH，etal.Predicted minimumdoor-closing velocity based ona three-dimensionaldoor-closingsimulation[J].FiniteElementsinAnalysisamp;Design，2011，47（3）：296-306.

[3]吳文濤，葉子波，黃興.有限元分析法在工程密封件設(shè)計上的應(yīng)用[J].潤滑與密封，2007（11）：177-180.AUTO1950