基于MARC外水切压缩负荷优化

赵胜东　董永衡　肖河容

摘 要：本文介绍了外水切CAE模型分析外水切压缩负荷的方法。压缩压缩负荷是外水切的一个重要参数，压缩负荷的设计不合理，会直接影响玻璃的升降和刮水性能。利用MARC可以对外水切截面进行有限元分析，在设计前期可以指导工程师进行截面优化，得到合理的压缩负荷。

关键词：外水切 压缩负荷 MARC软件分析

1 引言

随着汽车的发展，人们对于汽车的舒适性和安全性要求越来超高，侧门玻璃升降系统作为日常使用频率较高的零部件，消费者对升降系统的感观感觉也较为敏感。外水切要兼顾系统的外观和刮水密封功能，因此水切的设计显得更为重要。若外水切的压缩负荷设计过低，將会导致玻璃刮水不干净，驾驶员视野变得模糊，影响安全性;压缩负荷过高，则容易引起玻璃升降异响，影响驾驶的舒适性。所以，在前期开发中首先要对外水切截面进行压缩负荷分析，选择合适的压缩负荷值和变形特性，从而提升升降系统的升降稳定性和刮水性。

2 外水切受力模型

如图1，外水切卡装在车门外板上，本文只研究唇边的压缩负荷，因此可认为外水切骨架部位嵌入部分和车门外板同属于刚体，固定不动且不受外力（箭头左侧），所以外水切的压缩负荷就等于玻璃Y向的压力总和

玻璃受到的外水切的摩擦力

μ为外水切绒毛和玻璃的摩擦系数，取决于材料特性，为固定值，一般为0.18-2.0。因此在分析外水切的受力时，可以转换为对外水切压缩负荷的研究。要降低玻璃受到外水切摩擦力时，只需要将外水切压缩负荷控制在合理的范围即可。

3 MARC几何模型建立

根据图1外水切受力模型，简化后得到图2的外水切几何模型，由于不同部位的接触关系不同，因此在划分六边形网格时需要先对截面进行区域划分。几何模型及区域划分见图2;接触关系见表1。

由于唇边在玻璃下降过程中始终与玻璃接触，并且往下运动无法模拟出从分离到接触的变形过程。因此，可以通过模拟玻璃上升过程，来分析外水切唇边的形变过程以及应力分布和CLD大小。

基于橡胶材料模型的下列假设：①橡胶是不可压缩的且在变形前各向同性的;②简单剪切包括先受简单拉伸再在平面截面上叠加简单剪切，服从虎克定律，其力学表达式为[1]：

式中W为广义Mooney-Rivlin三次式的应变能，C10，C01，为材料常数，I1和I2为橡胶材料的第一和第二应变不变量，可由试验获取。

此时，C10和C01可通过单轴拉伸试验由下式确定：

其中，P为作用力，A0为试样截面积，为材料伸长率。

根据外水切产品开发的经验，C10，C01通常可取=C10=1.12、C01=0.29。

4 仿真模拟结果

4.1 原始方案

通过MARC仿真模拟[2]，得出原始截面的等效米塞斯应力为14.7N/100mm，大于经验值6.0±1.5N/100mm。从图3可以看等效米塞斯应力主要分布在上唇边的根部，由此判断是唇边根部的尺寸过大或者形状角度设计不合理导致。因此，可通过优化两道唇边根部卸力槽深度，降低应力并相对均衡地分布在上下两道唇边上。

4.2 优化后方案

通过上述分析，对根部的结构进行了调整优化，将上下唇边根部尺寸设计成相同的尺寸和角度，将原截面唇边卸力槽尺寸由1.8mm优化为1.45mm，图4所示。优化后，再次对截面进行仿真模拟，得到图5优化后的等效米塞斯应力分布。比较图3和图5不难看出：优化后，上唇边根部的等效米塞斯应力分布区域更宽，下唇边根部同时也分担了一部分的等效米塞斯应力。玻璃只接触下唇边时，CLD约为2N/100Mm，上下唇边同时接触时为5.9N/100Mm。比较接近理论设计的理论状态，上下唇边的CLD同为3N/100Mm。通过上述优化，实现了玻璃在运行过程中等效米塞斯应力的最大值也由14.7N/100mm降为5.9N/100mm。

5 结论

外水切唇边的变形主要集中在根部，压缩负荷受唇边根部结构影响较大，为保证上下唇边受力一致，建议上下唇边根部位置设计成相同的尺寸，且根部卸力槽深度不应过浅。在项目前期开发外水切的截面设计过程中，可通过MARC仿真分析，能够快速地帮助工程师识别出截面的设计缺陷，并提供明确的改进方向。

参考文献：

[1]张宝生，蒋力培，周灿丰，陈嘉庆. 有限元分析软件Marc及其在橡胶材料分析中的应用[J].橡胶工业，2003，（04）.

[2]梁清香主编.有限元与MARC实现[M]. 机械工业出版，2005.