轿车车门密封条结构的数值分析与改进设计

赵 健，崔巍升，金 涛，郑燕明

(1.浙江大学化工机械研究所，杭州 310027; 2.浙江仙通橡塑股份有限公司，台州 317300)

前言

汽车密封条的主要作用是防水、防尘、减震、隔声和密封，在应用中还要求具有一定的舒适性和装饰性。压缩变形特性和插拔受力状况是评定密封条使用与安装性能的两个重要方面。文献［1］中用ABAQUS软件评定了密封条的压缩变形特性，获得了压缩过程中接触压力的分布特征。文献［2］和文献［3］中进行了密封条压缩变形分析和结构优化，初步验证了数值模拟技术解决非线性介质力学问题的有效性。相对压缩变形，插拔过程的受力状况和边界条件更为复杂。良好的密封条夹紧机构要求有较小的插入力和较大的拔出力，以保证装配方便且在使用中不易脱落，但对同一密封条却是矛盾的［4］。

轿车车门密封条主要由密实橡胶、海绵橡胶和金属骨架3部分组成，其中金属骨架镶嵌在密实橡胶中。工业生产中密封条常常使用三元乙丙橡胶(EPDM)，它是典型的非线性弹性材料;在密封条装配过程中，密封条同时存在着几何非线性(大变形)和边界非线性(接触)问题。

本文中讨论了密封条的材料特性、几何特性和接触边界条件问题，并应用MSC.MARC软件对密封条的结构进行了非线性有限元分析，评定了密封条的插拔受力特性，取得了良好的定量分析效果，通过试验验证了分析的合理性。

1 密封条插拔变形的有限元分析

1.1 密封条的结构特征

某汽车背门框密封条结构如图1所示，密实橡胶与骨架形成“U”状结构，依靠变形齿与钣金的摩擦力起着牢靠夹持并固定在车门侧围钣上的作用，使其具有更可靠的密封作用。由于在密封条插拔变形过程中主要是“U”型密实橡胶结构起作用，本文中主要对其进行分析。为便于分析，对密封条结构进行简化，得到“U”型槽简化模型，如图2所示。

1.2 材料模型和特性

橡胶材料在大变形的情况下不服从胡克定律，其受力与位移或应力与应变是非线性关系。简化模型中海绵橡胶部分已不存在，因此只须考虑密封条EPDM密实橡胶的材料特征。

EPDM密实橡胶在变形中体积变化极小，具有近乎不可压缩的材料特性，在较短的时间和恒定的温度下，可以被处理为各项同性材料。其本构特征一般用超弹性材料模型来描述，本构方程的一般形式为［5］

式中:σ为柯西应力张量;W为应变能密度函数;I为单位张量;B为柯西-格林变形张量;F为变形梯度;J为Jacobian行列式;I1和I2为柯西-格林变形张量的第一、第二不变量。

对于不可压缩材料:

因此，式(1)可简化为

式中p为由不可压缩约束所引出的拉格朗日因子。

EPDM密实橡胶的材料模型可用基于主应变不变量的应变能密度函数表述，即两参数的Mooney-Rivilin 模型［6］:

式中:C1和 C2为材料常数，由试验确定;λ1、λ2、λ3为主伸长比。

大多数橡胶在应变为150%以内时可用上述模型得到合理的近似。在MARC中利用非线性最小二乘法，通过拟合单轴拉伸试验数据确定密实橡胶材料常数:C1=0.37MPa，C2=0.41MPa［7］。

1.3 接触边界条件

接触边界条件是高度非线性的复杂问题，密封条插拔变形主要通过钣金与橡胶材料接触而产生［8］，插拔分析结果对边界条件的处理较为敏感，因此在密封条插拔变形的有限元分析中，接触边界条件的准确处理极为重要。在长期观察密封条装车和试验测试情况，并与大量模拟分析结果对比的基础上，对密封条结构的有限元分析作出如下假定。

(1)数学上施加无穿透接触约束的方法主要有拉格朗日乘子法、罚函数法和直接约束算法，其中直接约束法具有较好的普遍适应性和精确性，可以对事先无法预知的接触发生区域的接触问题进行自动探测并施加接触约束。因此本文中采用MARC软件中基于直接约束法的接触迭代算法来处理插拔过程中的接触问题。

(2)分析参照QC/T 716—2004标准有关插拔力试验测试的规定进行，忽略钣金部分的变形，将其定义为刚体，将包括变形齿在内的所有密实橡胶部分和金属骨架部分定义为变形体(变形体不施加任何载荷约束)，并将金属骨架视为粗糙度无限大的表面，即表示金属骨架与密实橡胶表面接触后不可分离，界面可承受剪应力而不发生滑动。分析中钣金按照设定速度(50mm/min)插入至接近沟槽底部位置并以相同速度拔出。

(3)忽略海绵泡管等部分的轻微影响，对“U”型槽简化模型进行分析，并将其周侧加框，槽框设置为刚体并固定约束，左右留置0.3mm间隙，上下留置0.2mm间隙，给予密封条一定的调整空间，以减少初始插入位置对分析结果的影响，并与实际试验测试情况进行良好的对比。

(4)以上各刚体与变形体间的接触使用黏-滑摩擦模型描述，根据厂方提供数据并经分析验证，将刚体与变形体间的摩擦因数设定为0.45。并根据该密封条测试要求，插入与拔出时分别使用3和1.5mm型板。

1.4 有限元模型

密封条结构长度方向尺寸远大于其余两个方向尺寸，因此在分析时假定为平面应变变形方式，进行二维仿真。利用四边形单元良好的变形性能，对密封条结构进行网格划分，单元尺寸选取0.3～0.7mm，使在密封条厚度方向和表面接触区域的网格得到足够的细分。密实橡胶选用80号全积分Herrmann单元，金属骨架采用11号全积分单元，有限元模型如图3所示。

2 计算结果

基于密封条的大位移变形情况，使用全拉格朗日算法求解克希霍夫方程，迭代方程使用全牛顿-拉普逊方法控制收敛过程，其特点是刚度矩阵在每一迭代步都要重新组装。计算得到的插拔变形等效柯西应力分布如图4和图5所示，其中无网格的轮廓线为变形前状态。

3 试验验证及分析

为验证MSC.MARC分析结果的准确性，根据QC/T 716—2004中的有关规定，对该密封条实际生产出的样品进行测试，并与计算结果进行对比，如图6和图7所示。插拔过程中，计算与试验最大插拔力及误差如表1所示。

表1 计算与试验最大插拔力及误差

根据计算结果以及图6和图7可知，插拔过程存在较大变形，插拔力随侧围钣的运动而剧烈波动。根据该密封条设计要求中关于插拔载荷标准的规定，厚 3mm型板进行插入试验时，插入力≤40N/100mm，厚1.5mm型板进行拔出试验时，拔出力≥40N/100mm。因此，该密封条的插入力超出了标准范围，须进行结构改进。

4 密封条结构的改进

通过分析观察车门围钣与海绵橡胶在插拔接触过程中的受力变形状况可知，原结构的变形齿厚度和倾斜角度是导致插拔力超标的主要因素，在密封条的结构改进过程中也主要改进变形齿的形状和尺寸。由于插拔力的互相依赖，此消彼长，故改进方案须将插入力和拔出力同时调整至一个合适的范围。图8为改进后的密封条结构与原结构对比，两侧变形齿分别在根部减少了0.29mm，头部倾斜角度减少15°。参照前述有限元分析方法，对改进后的结构进行插拔变形分析，结果如表2所示。

表2 结构改进前后插拔力计算结果

由表2可知，改进后的结构插拔力均大幅减小，由设计要求可知，满足该密封条的产品设计标准。

5 结论

本文中利用非线性有限元分析软件对密封条结构进行分析。分析结果与测试结果的误差小于7%。通过对该密封条的多批次产品进行大量试验及分析对比，可得出如下结论。

(1)密封条的生产制造精度对试验结果有较大影响，尤其对密封条“U”型槽中变形齿的角度和厚度等误差较为敏感，可作为密封条结构改进的方向。

(2)通过在计算中对密封条“U”型槽加边框，保证了密封条在插拔过程中一定的运动调整幅度，与试验装车情况较为接近，有效减少了插入位置对计算结果的影响，避免了网格畸变，与试验结果的误差较小，证明了边界条件处理的合理性。

(3)根据分析结果对密封条结构进行改进，改进后的结构能够满足产品设计要求，验证了“U”型槽变形齿的形状和尺寸对插拔力的影响，表明通过调整变形齿的厚度和倾斜角度可以有效改变插拔力的大小。

(4)运用MSC.MARC软件可较好地解决密封条在插拔过程中存在的高度非线性问题，据此可以在产品设计初期指导密封条的结构设计。

［1］Wagner D A，Morman J K N，Gur Y，et al.Nonlinear Analysis of Automotive Door Weatherstrip Seals［J］.Finite Elements in Analysis and Design，1997，28(1):33-50.

［2］赵建才，姚振强.桑塔纳2000车门密封条压缩变形的数值分析［J］.上海交通大学学报，2006，40(10):1806-1808.

［3］Zhao J C，Zhu X S，Huang S J，et al.The Experimental Analysis for Compression Deformation of Automotive Door Seals［J］.Experimental Techniques，2003，27(1):27-31.

［4］黄燕敏.基于仿真分析的轿车车门密封条结构改进研究［D］.上海:上海交通大学，2010.

［5］匡震邦.非线性连续介质力学基础［M］.西安:西安交通大学出版社，1989.

［6］Mooney M.A Theory of Large Elastic Deformation［J］.Journal of Applied Physics，1940，11:582-592.

［7］王伟，邓涛，赵树高.橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定［J］.特种橡胶制品，2004，25(4):8-10.

［8］陈火红，杨剑，薛小香，等.新编Marc有限元实例教程［M］.北京:机械工业出版社，2007.