客车车门密封条的压缩仿真与试验分析

彭冬冬， 黄显利， 刘鑫明， 高振波

(中通客车股份有限公司， 山东 聊城 252000)

客车车门密封系统中最主要的密封部件是橡胶密封条。它可以防止风沙、雨水、灰尘进入车内，也可提高隔声和隔热性能，还可以利用其自身结构中海绵泡管空腔等部位的弹性性能与钣金或装饰件等物体接触产生接触压力，起到密封和装饰作用。同时，它还能在一定程度上弥补车门与车身之间的装配误差。因此，研究密封条的结构形状和压缩变形特性具有很重要的实际意义。本文对车门密封条的压缩变形进行仿真与试验分析，为密封条结构和尺寸的优化提供参考。

1 密封条的压缩仿真分析

1.1 密封条有限元模型

车门密封条主要由海绵橡胶、密实橡胶和金属骨架三部分组成，海绵橡胶与密实橡胶通过挤压成型，密实橡胶与金属骨架组成硬质夹持部分。由于密封条在长度方向上的几何尺寸远远大于其余两个方向，所以可以认为其所承受的载荷平行于其横截面，并且沿长度方向均匀分布。因此密封条的压缩变形可简化为平面应变问题。本文用刚体来表示车门，在不影响结果的情况下对密封条夹持部分作相应的简化，去掉图1(a)中所示夹持区域的夹持齿。网格采用四节点平面应变单元，网格尺寸为0.15 mm，生成的密封条未变形时的有限元网格模型如图1(b)所示。

(a) 未简化几何模型

1.2 密封条材料属性

密实橡胶和海绵橡胶的主要原材料为三元乙丙(EPDM)橡胶。两种橡胶采用不同的发泡机理和组成成分，所显现的材料特性会不同。密实橡胶密度较大，气孔率较低，被认为是相对不可压缩材料；海绵橡胶气孔率较高，密度较低，在0.6～0.9 g/cm之间，是可压缩材料。在较小载荷作用下，海绵橡胶会产生很大变形，并且会表现出明显的非线性特性。

在有限元分析软件中，常用应变能密度函数模型来描述橡胶材料的属性。其中Mooney-Rivlin本构模型和Ogden本构模型是EPDM橡胶密封条材料常用的应变能密度函数模型。本文在有限元仿真软件Workbench中，为描述橡胶材料的大变形特性和保证仿真计算结果的精确性，选用应变能密度函数多项式为3阶的Ogden本构模型，并采用同行业中该种材料的其他参数，剪切模量常数：MU=0.07 MPa，MU=-0.06 MPa，MU=0.08 MPa；应变硬化指数:=12，=-5，=1；可压缩性能参数(用于表示体积变化)：=0.6 MPa，=2.5 MPa，=0.5 MPa。

密实橡胶采用Mooney-Rivlin本构模型，其应变能密度函数的模型为

=(-3)+(-3)

(2)

式中：和为橡胶材料的Rivlin系数，均为正定常数，分别取8 MPa和2 MPa。

1.3 边界条件

车门与密封条的接触属于“刚体与可变形体”的“面-面”接触类型，定义车门刚体作为“目标”面，海绵橡胶作为“接触”面，摩擦系数为0.2。海绵橡胶与密实橡胶接触设为绑定接触，两者不能脱开也不允许有相对滑动。密实橡胶与金属骨架之间的接触可视为粗糙度无限大，且两者表面没有分离。对车门刚体施加沿轴方向向下位移4 mm的载荷。夹持部位作为固定支撑(如图2所示)。

1.4 压缩变形仿真结果分析

密封条变形前后的形状和海绵泡管结构的等效应力云图如图2和图3所示。从图3中可以得出，密封条压缩4 mm时其最大等效应力为0.185 81 MPa，位于海绵橡胶与密实橡胶胶接处，对应压缩载荷为4.569 N，主要是由于应力集中引起的，此处的海绵橡胶泡顶的变形量也最大，为4 mm。

图2 密封条变形前后形状

图3 海绵泡管等效应力图

2 密封条的压缩试验验证

2.1 压缩试验

根据QC/T 710—2004《汽车密封条压缩负荷试验方法》，本文所用密封条压缩负荷试验的装置与试样如图4所示。

图4 密封条压缩负荷试验的装置与试样

试验前，通过控制面板设定试验速度为12 mm/min，压缩高度为4 mm。记录压缩负荷与密封条形变数据，如图5中相应曲线所示。

图5 密封条压缩仿真与试验对比CLD曲线

2.2 试验与仿真对比

根据压缩载荷与位移形变关系，可以得到密封条压缩CLD曲线。密封条压缩仿真与试验对比CLD曲线如图5所示。可以看出，压缩至 4 mm时，作用在密封条上的压缩载荷试验值为4.6 N，仿真值为4.569 N，二者几乎一致。另外，压缩载荷随着密封条形变的增加而呈非线性增大，试验与仿真曲线基本重合，可以验证仿真结果的正确性。

3 结束语

本文通过密封条仿真与试验研究对比，验证了仿真分析与试验结果的一致性。结果表明，在实际应用中，使用软件仿真求解密封条压缩过程中压缩力的结果是有效的，可以为密封条的改进设计提供参考。