轿车密封条滚剪铝带断裂因素分析与改进设计

赵建才，汪先林，姜丽丽，吴定凯

(建新赵氏集团有限公司，浙江宁波 315615)

0 引言

轿车门洞密封条主要由海绵胶、密实胶和骨架组成，其中骨架主要起支撑和夹持固定作用，常用0.5 mm厚的钢带。为了轻量化需要，门洞密封条骨架采用经济型滚剪铝带。但是在密封条挤出试制过程中，出现断裂现象。为了分析影响铝带断裂的因素，本文作者利用MSC.Marc软件建立了铝带有限元分析模型，对铝带结构进行强度分析与结构优化设计，并进行试验验证。

1 建立铝带的分析模型

1.1 铝带的结构类型

根据制造工艺的不同，铝带可分为滚剪铝带、滚压铝带和平板铝带。根据表面是否涂层，铝带又可分为涂层滚剪铝带、涂层滚压铝带和涂层平板铝带。根据设计要求，门洞密封条骨架采用滚剪铝带。

1.2 铝带的几何参数

铝带的主要结构参数包括宽度B、厚度H、齿宽B1、齿间距T和桥接结构参数。滚剪桥接采用双桥结构，其参数包括桥接宽度b1、b2，桥接厚度h，切口宽度b3，如图1所示。

1.3 铝带的计算模型

铝带长度方向上的结构参数基本一致，选取7个齿宽作为计算长度，其结构设计参数如表1所示。对铝带几何模型进行离散处理，得到有限元模型。为了验证计算结果与试验结果的符合度，设置边界条件：(1)铝带下部固定；(2)铝带上部增加一条直线与单元粘结为一体，根据铝的拉伸率，确定直线向上拉伸长度为3 mm。铝带的计算模型如图2所示。

表1 铝带的结构设计参数与几何尺寸 mm

图2 铝带计算模型

2 铝带的材料参数

滚剪铝带的材料采用5754H22，弹性模量E为70 GPa，泊松比ν为0.33，密度ρ为2.7 g/cm3，屈服强度为137 MPa，拉伸强度为240 MPa，拉伸率为10.8%。

3 计算结果与试验对比

通过有限元计算可以得到铝带拉伸后应力云图，如图3所示。铝带的最大应力为244.79 MPa，其位置在桥接根部尖角处。当最大应力大于拉伸强度时，铝带沿着尖角处断裂。这与铝带拉伸试验结果非常吻合，铝带断裂位置沿着桥接根部尖角处开始产生裂纹，最后在4个桥接根部处断裂，如图4所示。

4 铝带结构优化方案设计

4.1 铝带断裂原因分析

密封条挤出试制过程中，分析铝带骨架出现断裂的原因如下：(1)由于5754H22铝带材料抗拉强度较低，易导致断裂；(2)由于铝带的桥接厚度小，加之尖角，易造成应力集中现象；(3) 由于铝带本身较软，在挤出时橡胶胶料很容易把铝带挤压变形，导致无法正常挤出。

4.2 铝带结构优化方案设计

通过MARC软件的计算分析和铝带拉伸试验，认为滚剪铝带结构需要进行改进。

方案一，更改铝带结构：桥接厚度增加0.3 mm，同时尖角改为0.2 mm圆角，如图5所示。

方案二，更改材料牌号：将5754H22更改为5052H36，提高铝材的抗拉强度。

图5 铝带结构改进方案

4.3 结果对比

经有限元计算分析可以得到，铝带改进结构达到抗拉强度时，所承受最大拉力为571 N；铝带材料改为5052H36后，到抗拉强度时，所承受最大拉力为339 N。而铝带原结构达到抗拉强度时，所承受最大拉力为331 N，如图6所示。因此，采用铝带改进结构能有效提高拉力。

图6 铝带拉伸的拉力与时间的关系曲线

4.4 口模试制验证

在老口模的基础上，对新口模流道进行优化设计，导向器前端部位前移使之尽可能地往前靠，主要是减小铝带和口模之间的摩擦力，以降低其拉力。

试制结果证明：使用改进结构铝带骨架挤出正常，没有再出现断裂现象。

5 结论

本文作者利用MSC.Marc软件建立了铝带有限元分析模型，对铝带结构进行强度分析与结构优化设计。计算结果表明：铝带的最大应力为244.79 MPa，其位置在桥接根部尖角处。当最大应力大于拉伸强度时，铝带沿着尖角处断裂，这与铝带拉伸试验结果非常吻合。

本文作者提出了两种优化方案，优化结果表明：铝带改进结构达到抗拉强度时，所承受最大拉力为571 N；铝带材料改为5052H36后，达到抗拉强度时，所承受最大拉力为339 N。与原结构达到抗拉强度时所承受最大拉力为331 N对比，铝带改进结构能有效提高拉力。新开口模试制验证表明：使用改进结构铝带骨架挤出正常，没有再出现断裂现象。