夏國(guó)勇，李春宇

(1.申雅密封件有限公司，上海 201712；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

轎車側(cè)圍B柱拐角段三維密封分析

夏國(guó)勇1，李春宇2

(1.申雅密封件有限公司，上海 201712；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

轎車車門(mén)密封系統(tǒng)決定整體關(guān)門(mén)力，直接影響開(kāi)合便捷性。傳統(tǒng)改善關(guān)門(mén)輕便性的方法需要多輪試制、反復(fù)試錯(cuò)，效率較低、周期較長(zhǎng)。由于側(cè)圍B柱拐角段安裝輪廓特殊，壓縮力方向多變，傳統(tǒng)二維有限元仿真無(wú)法真實(shí)反映其復(fù)雜受力變形狀態(tài)，進(jìn)而影響整體密封系統(tǒng)的分析準(zhǔn)確性?？紤]密封材料的超彈性體模型，建立側(cè)圍B柱拐角段三維密封有限元模型，分析旋轉(zhuǎn)關(guān)門(mén)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，B柱大曲率拐角段對(duì)密封壓縮負(fù)荷的影響。對(duì)比密封系統(tǒng)壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，該側(cè)圍B柱拐角段的三維密封分析誤差為10.73%，滿足工程應(yīng)用的精度要求。

大曲率；側(cè)圍B柱；密封系統(tǒng)；三維仿真

0 引言

轎車車門(mén)密封系統(tǒng)的變形阻力是車門(mén)閉合力的主要來(lái)源，其大小占車門(mén)整體關(guān)門(mén)力的30%～50%，是改善車門(mén)關(guān)閉輕便性的重要研究對(duì)象。實(shí)質(zhì)上，車門(mén)密封系統(tǒng)在車門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的壓縮變形行為是超彈性材料在狹小間隙中的大變形過(guò)程，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的幾何和材料非線性特性。

由于車門(mén)、側(cè)圍上密封條安裝輪廓形狀復(fù)雜，B柱拐角處通常具有較大曲率(見(jiàn)圖1)，導(dǎo)致密封系統(tǒng)在裝配過(guò)程中產(chǎn)生較大變形與殘余應(yīng)力[1]，造成一定程度的密封條安裝起皺和唇邊外翻等問(wèn)題[2-3]，并使其在關(guān)門(mén)壓縮過(guò)程中受到沿密封條徑向的法向力、沿密封條軸向的剪切力、垂直于密封條橫截面法向的擠壓力等復(fù)雜受力狀況[4]。傳統(tǒng)密封系統(tǒng)仿真分析采用簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變的二維方法，僅對(duì)其法向受力進(jìn)行研究，而忽略安裝輪廓大曲率(側(cè)圍B柱拐角段)的影響，不能真實(shí)反映密封系統(tǒng)復(fù)雜的受力變形狀態(tài)。

為了綜合考慮橡膠材料非線性特性與側(cè)圍B柱拐角大曲率2個(gè)因素的影響，文中建立側(cè)圍B柱拐角處車門(mén)-密封系統(tǒng)-門(mén)框裝配體有限元模型，分析車門(mén)繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)關(guān)閉過(guò)程中，大曲率對(duì)密封系統(tǒng)壓縮負(fù)荷的影響。并以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證文中所建立基于大曲率分析的側(cè)圍B柱拐角段密封系統(tǒng)數(shù)值仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 側(cè)圍B柱拐角段三維有限元模型建立

密封系統(tǒng)為了匹配車門(mén)、側(cè)圍安裝輪廓大曲率，易產(chǎn)生安裝起皺和唇邊外翻等問(wèn)題，不僅影響裝配外觀，而且急劇增加密封系統(tǒng)的壓縮負(fù)荷，從而造成車門(mén)關(guān)閉力過(guò)大。

1.1 側(cè)圍B柱拐角段曲率分析

車門(mén)、側(cè)圍鈑金輪廓在拐角處曲率較大，導(dǎo)致密封條在此處的裝配變形與裝配殘余應(yīng)力最為顯著。取側(cè)圍B柱拐角段為研究對(duì)象，定量分析其曲率變化，曲率最大處達(dá)到0.015 mm-1，見(jiàn)圖2。

1.2 網(wǎng)格劃分與材料模型

側(cè)圍B柱拐角段的有限元模型見(jiàn)圖3。采用Hypermesh劃分網(wǎng)格，使用MSC.Marc完成分析。

密封條網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，為了較好逼近密封條截面邊界，控制密封條徑向網(wǎng)格尺寸為0.7 mm；為了適當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量，確定密封條軸向網(wǎng)格尺寸為20 mm。

內(nèi)板與門(mén)框定義成剛體，密封條骨架材料采用鋁鎂合金。海綿橡膠采用Foam模型，密實(shí)橡膠采用Mooney模型。本構(gòu)模型方程中系數(shù)由材料力學(xué)性能試驗(yàn)(單軸拉伸、單軸壓縮、雙軸拉伸、平面剪切、體積試驗(yàn)等)數(shù)據(jù)通過(guò)Marc擬合并比較選取[5]。

2 側(cè)圍B柱拐角段三維密封分析結(jié)果

仿真過(guò)程為：(1)門(mén)框鈑金裝配密封條；(2)車門(mén)內(nèi)板繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)9°，直至車門(mén)完全關(guān)閉，以此模擬實(shí)際車門(mén)關(guān)閉過(guò)程。仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

由結(jié)果可知，對(duì)門(mén)框密封條而言，拐角大曲率處密封條受到應(yīng)力相對(duì)集中，變形較大，與鈑金接觸面積也相應(yīng)較大。為定量研究門(mén)框密封條壓縮負(fù)荷，提取大曲率處車門(mén)內(nèi)板上的外力為8.98 N(密封條長(zhǎng)度為300 mm)，而相同長(zhǎng)度直段門(mén)框條壓縮負(fù)荷仿真的結(jié)果為10.15 N。

3 三維密封系統(tǒng)壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

密封條壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)的工裝如圖5所示。取待測(cè)門(mén)框密封條樣品3 段，對(duì)每一段樣品進(jìn)行2 次預(yù)壓，取第3次測(cè)試結(jié)果為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將3 段樣品的平均測(cè)試結(jié)果作為最終結(jié)果，見(jiàn)表1。其中，側(cè)圍B柱拐角段密封條長(zhǎng)度為300 mm。由表1中數(shù)據(jù)可得：三維仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為10.73%，優(yōu)于二維仿真的25.15%。

表1 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 小結(jié)

(1)側(cè)圍鈑金形狀復(fù)雜、曲率各異， B柱拐角處大曲率達(dá)到0.015 mm-1。大曲率引起的裝配變形與應(yīng)力，導(dǎo)致采用三維有限元仿真更能反映密封系統(tǒng)復(fù)雜的受力變形狀態(tài)。

(2)文中進(jìn)行密封條三維壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試頭道條與門(mén)框條的壓縮負(fù)荷數(shù)據(jù)。并建立側(cè)圍B柱拐角處車門(mén)-密封系統(tǒng)-門(mén)框裝配體的三維有限元模型，仿真結(jié)果誤差為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，關(guān)建民.CAE技術(shù)在汽車密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].橡膠工業(yè),2003,50(6):354-356.

【3】黃燕敏.轎車玻璃導(dǎo)槽密封條結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法[J].汽車技術(shù),2013(6):39-43.

【4】高云凱,高大威,徐瑞堯,等.車門(mén)密封條消耗能量計(jì)算[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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

夏國(guó)勇,男,工程師，研究方向?yàn)檐嚿砻芊?。E-mail：Leo.Xia@cooperstandard.com。

U463.83+4

A

1674-1986(2016)06-047-03