汽车尾门密封条压缩仿真的影响因素研究

王春伟 操芹 张景煌 江想莲 王若满

摘  要：运用非线性有限元方法对汽车尾门密封条压缩进行仿真分析，并对两种影响因素下的压缩变形及压缩力进行仿真和试验的对比。结果表明，橡胶材料的Mullins效应明显影响汽车尾门密封条的压缩变形及压缩力;通过摩擦力试验获取的尾门及其密封条间的滑动摩擦因数，可直接用于密封条压缩仿真分析。

关键词：汽车尾门密封条;影响因素;压缩变形;有限元分析

中图分类号：U465.4+2      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2022）02-0052-04

Research On Influencing Factors Of Compression Simulation

Of Automobile Tailgate Sealing Strip

WANG Chun-wei， CAO Qin， ZHANG Jing-huang， JIANG Xiang-lian， WANG Ruo-man

（ Dongfeng Motor Company Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The nonlinear finite element method is used to simulate the compression of automobile tailgate sealing strip， and the compression deformation and compression force under the two influencing factors are simulated and compared with the test. The results show that the Mullins effect of rubber material obviously affects the compression deformation and compression force of automobile tailgate sealing strip; the sliding friction coefficient between the tailgate and its sealing strip obtained from the friction test can be directly used for the compression simulation analysis of the sealing strip.

Key Words： Tailgate Sealing Strip; Influence Factors; Compression Deformation; Finite Element Analysis

尾門密封条作为汽车密封系统中最重要的密封部件，它不仅可以起到隔声、隔热的作用，而且还可以减少尾门在关闭过程中的冲击及汽车行驶过程中的振动[1-3]。

近年来，行业专家对影响尾门密封条压缩仿真的因素进行了大量的研究。Li等[4]通过三维仿真分析对密封条的弯曲性能进行了研究;Moon等[5]利用显式算法来研究密封条各段的压缩仿真分析;M. KENA等[6]研究了车门不同位置的密封间隙对关门品质的影响;黄燕敏[7]通过研究密封条唇边的厚度及角度、涂层、接角等影响因素对密封条的结构进行了改进。

本工作针对汽车尾门密封条压缩，采用非线性有限元分析软件Abaqus研究Mullins效应的材料参数及滑动摩擦因数对尾门密封条变形过程及压缩力的影响。

1    汽车尾门密封条的压缩试验

根据QC/T 710-2004 《汽车密封条压缩负荷试验方法》对汽车尾门密封条进行压缩试验[8]，如图1所示：

2    汽车尾门密封条模型

2.1   断面模型

尾门密封条断面的仿真模型如图2所示，其主要包含海绵胶、密实胶及钢骨架三部分。仿真分析的边界条件及压缩过程严格控制与试验保持一致，减少客观误差的影响。

2.2   材料本构模型及参数

对于橡胶材料来说，其力学特性较为复杂，需要通过非线性的本构模型进行描述。

2.2.1 海绵胶

反映海绵胶力学性能特性的本构模型为Hyperfoam模型[9]，其本构方程为：

（1）

式中：U为单位参考体积的应变能;Jel是“热膨胀”中定义的弹性体积比;  为偏应力;μi、αi、βi均为与温度有关的材料常数，它们是由单轴压缩、简单剪切与体积压缩试验的数据来确定的。如表1所示为本文所用海绵胶的材料本构参数，其值均由材料试验进行拟合获得。

2.2.2密实胶

反映密实胶力学性能特性的本构模型为Ogden（N=3）本构模型[10]，其本构方程为：

（2）

如表2所示为本文所用密实胶的材料本构参数，其值均由材料试验进行拟合获得。

3    汽车尾门密封条压缩仿真的影响因素

3.1   Mullins效应

橡胶材料存在着较为明显的Mullins效应，即橡胶材料在受到外力的作用下，会发生应力软化，进而可能会导致材料的各向异性[11]。为了减少橡胶材料Mullins效应的影响，提高非线性有限元分析的精度，我们在进行单轴拉伸试验的过程中至少要进行5次以上的加卸载过程，对最终的初始应变值进行调整，使得起始应变值归零。

Mullins效应的损伤变量公式[2，11]如下：

（3）

（4）

式中：η为损伤变量;Udev为材料变形中某点的应变值，Udevm为该点的应变最大值;r、m、β为材料参数（r>1，m≥0，β≥0且m、β不同时为0）;erf （x）为误差函数。当Udev = Udevm 时，η=1.0;当Udev=0时，η=ηmin=                                  ;

因此，损伤变量η的变化范围为ηmin≤η≤ 1.0。

本文采用的Mullins效应参数如表3所示，其值均由材料試验进行拟合获得。

如图3表示材料属性考虑Mullins效应的材料参数对尾门密封条的压缩仿真分析的影响误差图。其中，压缩仿真分析的误差δ定义[8]为：

（5）

式中：fs为仿真尾门密封条的压缩力，fe为试验尾门密封条的压缩力。

通过误差图可以分析发现，在构建橡胶材料属性时考虑Mullins效应的材料参数，其压缩的误差较低，变形反力与实际压缩试验的压缩特性曲线相接近，拟合度更好，误差值也在可接受的范围内。这也充分证明了Mullins效应导致的材料损伤软化，很大程度上影响仿真与试验的压缩力差异。

3.2   滑动摩擦因数

尾门密封条在压缩变形过程中，主要存在的接触关系[12]：（1）密实胶与金属骨架之间的接触关系;（2）海绵胶自身间多个位置的接触关系;（3）尾门刚体与尾门密封条之间的接触关系，两者之间的摩擦类型为库仑摩擦，其方程如下：

（6）

式中：τf为摩擦力;f为滑动摩擦因数，其值低于1;σn为正压力。

硫磺、硫化环境等因素的差异，导致橡胶材料的表面硫化层的厚度及表面质量有所差异，故橡胶材料的滑动摩擦因数较难获得准确值。通过摩擦力试验，对本批次材料的滑动摩擦因数进行测量，滑动摩擦因数的范围为0.5～0.7。在进行密封条压缩仿真分析时，摩擦因数需要某个特定值。故本文通过梯度选取摩擦因数，对比压缩仿真过程中的密封条变形形式与试验的差异，进而确定准确度摩擦因数。

图4、图5分别表示不同滑动摩擦因数下的压缩量变化曲线及压缩变形。从图中可以看出，滑动摩擦因数 f 在0.5 ～ 0.7的范围内，其压缩量变化曲线完全一致;选取摩擦因数为0.60时模拟尾门与橡胶泡管的变形形式，可以发现其最终变形与试验的近乎一致。因此，在进行密封条压缩仿真分析时，其摩擦因数可直接选取试验获得的滑动摩擦因数值。

4    结论

（1）压缩仿真分析建模时，充分考虑橡胶材料中存在的Mullins效应，可以有效的降低仿压缩仿真分析的误差，大大提升仿真与试验的对标精度。

（2）尾门密封条的压缩力仿真分析中的摩擦因数，可以直接通过摩擦力试验获取。

参考文献：

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[2]David A W，Kenneth N，Morman J，et a1. Nonlinear Analysis of Automotive Door Weatherstrip Seals [J]. Finite Elements in Analysis and Design，1997，28（1）：33-50.

[3]王海军，谷洲平. 三元乙丙橡胶海绵车门密封条压缩变形的仿真分析与试验验证[J]. 橡胶工业， 2018（7）：814-817.

[4]LI Q， ZHAO J C， LIU W B， et al. Analysis of the wrinkle of an automobile weather-strip seal in bending [J]. Journal of Macromolecular Science， Part B： Physics， 2017， 56（2）： 124-133.

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[7]黄燕敏. 轿车玻璃导槽密封条结构改进方法[J]. 汽车技术，2013，000（006）：39-43.

[8]郑明贵，王春伟，操芹，等. 汽车门框密封条压缩的仿真分析[J]. 橡胶工业，2021，68（5）： 0363-0368.

[9]OGDEN R W. Large deformation isotropic elasticity： on the correlation of theory and experiment for compressible rubberlike solids [J]. Proceedings of Royal Society， 1972（328）： 567-583.

[10]OGDEN R W. Large deformation isotropic elasticity： on the correlation of theory and experiment for incompressible rubberlike solids [J]. Proceedings of Royal Society， 1972（326）： 565-584.

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王春伟

毕业于长安大学，工学硕士学位，现就职于东风汽车集团有限公司技术中心，任责任工程师，主要研究方向为结构刚强度、空调流体仿真分析等，曾发表论文2篇。

专家推荐语

龙从林

东风汽车集团有限公司技术中心

车身部总师  研究员级工程师

本文采用考虑Mullins效应的本构模型，对正压力和摩擦力的模拟准确，求得的尾门密封条的应力-应变曲线、密封条变形形式都与试验高度吻合，仿真精度明显高于业内普遍水平。