轿车侧围B柱拐角段三维密封分析

夏国勇，李春宇

(1.申雅密封件有限公司，上海 201712；2.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

轿车侧围B柱拐角段三维密封分析

夏国勇1，李春宇2

(1.申雅密封件有限公司，上海 201712；2.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

轿车车门密封系统决定整体关门力，直接影响开合便捷性。传统改善关门轻便性的方法需要多轮试制、反复试错，效率较低、周期较长。由于侧围B柱拐角段安装轮廓特殊，压缩力方向多变，传统二维有限元仿真无法真实反映其复杂受力变形状态，进而影响整体密封系统的分析准确性。考虑密封材料的超弹性体模型，建立侧围B柱拐角段三维密封有限元模型，分析旋转关门动态过程中，B柱大曲率拐角段对密封压缩负荷的影响。对比密封系统压缩负荷实验，该侧围B柱拐角段的三维密封分析误差为10.73%，满足工程应用的精度要求。

大曲率；侧围B柱；密封系统；三维仿真

0 引言

轿车车门密封系统的变形阻力是车门闭合力的主要来源，其大小占车门整体关门力的30%～50%，是改善车门关闭轻便性的重要研究对象。实质上，车门密封系统在车门关闭过程中的压缩变形行为是超弹性材料在狭小间隙中的大变形过程，表现出强烈的几何和材料非线性特性。

由于车门、侧围上密封条安装轮廓形状复杂，B柱拐角处通常具有较大曲率(见图1)，导致密封系统在装配过程中产生较大变形与残余应力[1]，造成一定程度的密封条安装起皱和唇边外翻等问题[2-3]，并使其在关门压缩过程中受到沿密封条径向的法向力、沿密封条轴向的剪切力、垂直于密封条横截面法向的挤压力等复杂受力状况[4]。传统密封系统仿真分析采用简化为平面应变的二维方法，仅对其法向受力进行研究，而忽略安装轮廓大曲率(侧围B柱拐角段)的影响，不能真实反映密封系统复杂的受力变形状态。

为了综合考虑橡胶材料非线性特性与侧围B柱拐角大曲率2个因素的影响，文中建立侧围B柱拐角处车门-密封系统-门框装配体有限元模型，分析车门绕铰链轴线旋转关闭过程中，大曲率对密封系统压缩负荷的影响。并以实验数据验证文中所建立基于大曲率分析的侧围B柱拐角段密封系统数值仿真模型的准确性。

1 侧围B柱拐角段三维有限元模型建立

密封系统为了匹配车门、侧围安装轮廓大曲率，易产生安装起皱和唇边外翻等问题，不仅影响装配外观，而且急剧增加密封系统的压缩负荷，从而造成车门关闭力过大。

1.1 侧围B柱拐角段曲率分析

车门、侧围钣金轮廓在拐角处曲率较大，导致密封条在此处的装配变形与装配残余应力最为显著。取侧围B柱拐角段为研究对象，定量分析其曲率变化，曲率最大处达到0.015 mm-1，见图2。

1.2 网格划分与材料模型

侧围B柱拐角段的有限元模型见图3。采用Hypermesh划分网格，使用MSC.Marc完成分析。

密封条网格采用六面体网格，为了较好逼近密封条截面边界，控制密封条径向网格尺寸为0.7 mm；为了适当减少网格数量，确定密封条轴向网格尺寸为20 mm。

内板与门框定义成刚体，密封条骨架材料采用铝镁合金。海绵橡胶采用Foam模型，密实橡胶采用Mooney模型。本构模型方程中系数由材料力学性能试验(单轴拉伸、单轴压缩、双轴拉伸、平面剪切、体积试验等)数据通过Marc拟合并比较选取[5]。

2 侧围B柱拐角段三维密封分析结果

仿真过程为：(1)门框钣金装配密封条；(2)车门内板绕铰链轴线旋转9°，直至车门完全关闭，以此模拟实际车门关闭过程。仿真分析结果见图4。

由结果可知，对门框密封条而言，拐角大曲率处密封条受到应力相对集中，变形较大，与钣金接触面积也相应较大。为定量研究门框密封条压缩负荷，提取大曲率处车门内板上的外力为8.98 N(密封条长度为300 mm)，而相同长度直段门框条压缩负荷仿真的结果为10.15 N。

3 三维密封系统压缩负荷实验

密封条压缩负荷实验的工装如图5所示。取待测门框密封条样品3 段，对每一段样品进行2 次预压，取第3次测试结果为实验结果，并将3 段样品的平均测试结果作为最终结果，见表1。其中，侧围B柱拐角段密封条长度为300 mm。由表1中数据可得：三维仿真与实验结果误差为10.73%，优于二维仿真的25.15%。

表1 仿真与实验结果对比

4 小结

(1)侧围钣金形状复杂、曲率各异， B柱拐角处大曲率达到0.015 mm-1。大曲率引起的装配变形与应力，导致采用三维有限元仿真更能反映密封系统复杂的受力变形状态。

(2)文中进行密封条三维压缩负荷实验，分别测试头道条与门框条的压缩负荷数据。并建立侧围B柱拐角处车门-密封系统-门框装配体的三维有限元模型，仿真结果误差为10.73%。

【1】MOON H I，KIM H，SANG B K,et al.Predicted Minimum Door-closing Velocity Based on a Three-dimensional Door-closing Simulation[J].Finite Elements in Analysis and Design,2011，47(3):296-306.

【2】戴元坎，关建民.CAE技术在汽车密封条结构优化中的应用[J].橡胶工业,2003,50(6):354-356.

【3】黄燕敏.轿车玻璃导槽密封条结构改进方法[J].汽车技术,2013(6):39-43.

【4】高云凯,高大威,徐瑞尧,等.车门密封条消耗能量计算[J].同济大学学报:自然科学版,2010,38(7):1069-1073.

【5】DIKMEN E,BASDOGAN I.Modeling Viscoelastic Response of Vehicle Door Seal[J].Experimental Techniques,2011,35(3):29-35.

Three Dimensional Sealing Analysis of the Corner Section of the Car Side Enclosure B-pillar

XIA Guoyong1,LI Chunyu2
(1.Shanghai SAIC-METZELER Sealing Systems Co., Ltd., Shanghai 201712,China;2.School of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 201804,China )

Car door sealing system determines the overall closing force, directly affects the opening convenience. To improve the traditional method of light closed requires several rounds of trial, trial and error, low efficiency, long cycle. Due to the special section of the corner section of the side enclosure B-pillar, the compression force direction is changeable, the traditional two-dimensional finite element simulation can not truly reflect its complex stress and deformation state, and then affects the accuracy of the whole seal system analysis. Considering the super elastic model of sealing material,the three-dimensional sealing finite element model of the corner section of the B-pillar was built,the influence of the large curvature corner section of the B-pillar to the sealing compression load was analyzed in the dynamic process of rotating closing. Comparing with the compression load test of the seal system, the error of the 3D seal of the corner section of the side enclosure B-pillar is 10.73%, which meets the requirement of engineering application.

Large curvature；Side enclosure B-pillar; Sealing system；Three dimensional simulation

2016-04-07

夏国勇,男,工程师，研究方向为车身密封。E-mail：Leo.Xia@cooperstandard.com。

U463.83+4

A

1674-1986(2016)06-047-03