謝貴山 韓啟明
【摘 要】隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展,消費者已經(jīng)不僅僅滿足于汽車的功能性要求,對乘坐舒適性也有了更高的標準。而車身密封膠條是影響乘坐舒適感的主要因素之一,它既起著防塵密封、隔振降噪、內(nèi)外裝飾的作用,也是引起車門關(guān)閉力過大的主要原因。密封膠條的設計水平體現(xiàn)了主機廠的技術(shù)研發(fā)能力,文章通過Marc軟件分析車身側(cè)密封膠條斷面壓縮變形和壓縮力負荷曲線,根據(jù)壓縮力峰值,優(yōu)化膠條斷面形狀,從而減小膠條壓縮力,最后通過關(guān)門速度實驗,驗證膠條滿足設計要求。利用有限元分析軟進行前期開發(fā),極大地縮短了研發(fā)周期,減少了開發(fā)成本。
【關(guān)鍵詞】Marc軟件;密封膠條;壓縮力;優(yōu)化;關(guān)門速度
【中圖分類號】U463.85 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688(2017)07-0022-04
0 引言
進入21世紀以來,中國的汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展,一方面,從2009年起,中國的汽車產(chǎn)量和銷量一直居全球第一;另一方面,人們對汽車的乘坐舒適性有了越來越高的要求。然而,密封膠條作為車身的重要功能件與結(jié)構(gòu)件,其性能的好壞直接影響到整個車身的使用性能與乘坐性能,因此越來越受到重視,許多汽車廠商已經(jīng)開始認識到密封膠條設計的好壞直接關(guān)系到該產(chǎn)品在汽車市場的占有份額。
所以,針對密封膠條進行專項研究十分必要。密封條在轎車中對車身的防塵密封、隔振降噪及內(nèi)外裝飾發(fā)揮著不可替代的作用。由于密封膠條的幾何非線性、材料非線性及接觸非線性特征,所以其不同的材料類型、結(jié)構(gòu)及裝配工藝都會直接影響其功能性、可靠性和裝飾性,最終對用戶的駕乘體驗造成直接影響。為了提高產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量,同時保證密封膠條的功能性、可靠性及裝飾性。過去試制、實驗認證、再試制全憑經(jīng)驗的試錯方法已經(jīng)很難保證產(chǎn)品設計的質(zhì)量和效率,未來也將被汽車工業(yè)所淘汰。隨著計算機運行速度的提高、非線性材料力學和有限元思想理論的發(fā)展,使得工程師可以利用非線性有限元軟件在產(chǎn)品開發(fā)前期對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行全工況真仿優(yōu)化,減少了不必要的時間與材料浪費。
本文利用非線性有限元分析軟件,針對上汽通用五菱股份有限公司的某款開發(fā)車型的車門密封條,仿真分析了車門關(guān)閉過程中膠條的壓縮負荷曲線和變形過程,根據(jù)設計經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)壓縮力數(shù)值過大,因此對密封膠條截面泡管厚度進行減薄,減小了膠條的壓縮負荷,最后通過關(guān)門速度實驗驗證了車門關(guān)閉速度滿足要求。
1 有限元分析模型的建立
1.1 材料的本構(gòu)模型
橡膠是超彈性材料,在大幾何變形的條件下,表現(xiàn)出很強的非線性特征,因此其材料本構(gòu)模型的推導經(jīng)歷了很長的時間。
綜合考慮材料參數(shù)獲得的成本及仿真的精度,本文采用的本構(gòu)模型為公式(4)中的模型。其中,密實橡膠和海綿橡膠分別采用不同的參數(shù),由材料的單軸拉伸、雙軸拉伸、體積應變試驗曲線反求而來。
1.2 密封條幾何模型
膠條截面采用平面應變模型,厚度是100 mm。門框表面假設剛性無限大、不存在變形。對于密封條的幾何結(jié)構(gòu),三維截面數(shù)據(jù)和二維數(shù)據(jù)都來自UG。然后將幾何截面的dwg格式導入Marc中,采用適當?shù)姆椒ㄟM行有限元網(wǎng)格劃分,將門框鈑金線和車門鈑金線定義為剛性體。本文的計算模型為公司某設計開發(fā)車輥壓窗框Roof段的膠條截面,圖1為密封條三維模型,分為上、下2個部分,中間用接角接起來,圖2為密封條橫截面幾何模型,其中上方曲線為車身側(cè)圍板件,下方曲線為車門內(nèi)板鈑金,密封條左側(cè)泡管右壁厚為1.81 mm。圖3為截面有限元網(wǎng)格。網(wǎng)格分為2個部分,上方為海綿橡膠,下方為密實橡膠,車門關(guān)閉過程中,海綿橡膠起主要的壓縮變形作用,同時也是引起車門關(guān)閉力過大的主要原因。
1.3 單元的選擇
對于密封條的壓縮變形,如果其長度足夠長、截面相同,且受到的壓縮力方向相同,即可以將變形方式近似為平面應變,膠條的壓縮變形也可以近似為由多段二維仿真組成。在二維仿真分析中,單元的選取有三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格2種,三角形網(wǎng)格對于幾何邊界的貼近效果很好,但是其變形效果不如四邊形,存在網(wǎng)格畸變,所以本文采用四邊形單元。由于截面較小,網(wǎng)格尺寸可以適當減小,本文選擇0.3 mm,這樣可以提高仿真計算的精度。在二維分析中,采用Mooney-Riviin材料本構(gòu)模型時,可以選用平面應變?nèi)e分Herrmann單元(MARC中單元類型80)。
1.4 邊界和接觸條件的建立
作為變形體的密封膠條和剛性體的鋼板表面在數(shù)值模擬中不允許存在穿透現(xiàn)象,且為了保證仿真精度,做出如下假設。
第一,對于海綿膠泡管和與其接觸的側(cè)圍剛性體區(qū)域,為了使法向接觸應力大于表面剪應力,它們之間的摩擦力采用滑動摩擦。這個模型保證了海綿密封條和相對應的側(cè)圍區(qū)域的接觸條件。因此,變形后的密封條截面的形狀和密封條的內(nèi)應力大小都極大地反映了實際情況。
第二,由于頂部密封膠條是黏接在車門窗框上的,所以對其底部密實橡膠單元的節(jié)點約束其X、Y方向的平動和Z方向的轉(zhuǎn)動。
第三,由于膠條和側(cè)位之間是相對運動的,為了簡化模型,模型中側(cè)圍鈑金以勻速壓縮膠條。1s后完全壓縮,也就是關(guān)門狀態(tài)時的相對位置。
2 結(jié)果分析
將前處理完成后的模型提交Marc進行計算,設定總的計算時間為1s,側(cè)圍鈑金向下勻速壓縮12.78 mm,車門鈑金向上勻速壓縮6.09 mm,即車門關(guān)閉后的最終狀態(tài),計算過程分為50個增量步,軟件運行后的結(jié)果包括圖4模型云圖(膠條變形后的形狀)和圖5(壓縮力隨時間的變化)。
在圖4中,無網(wǎng)格空心部分為初始時刻未變形的密封膠條狀態(tài),有網(wǎng)格的為變形后的密封膠條狀態(tài),可以看出,膠條壓縮后緊貼著車門和側(cè)圍鈑金,起到了密封的作用,從圖5可以看出,0.28 s時側(cè)圍鈑金開始接觸密封條,1s后密封條壓縮完全,從模型云圖中可以看出等效柯西應力為0.364 MPa,位于海綿膠與密實膠相鄰處,通過軟件,同樣可以得出最大法向接觸力為2.49 N,最大接觸摩擦力為0.93 N。壓縮力與壓縮量(這里為勻速壓縮)之間為非線性關(guān)系,壓縮力隨著壓縮量的增加而增大,密封條完全壓縮時為6.75 N,大于設計值6 N。根據(jù)設計經(jīng)驗,這將導致車門關(guān)閉力過大,所以必須對膠條截面進行優(yōu)化設計。
3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
表1介紹了改善車門密封膠條壓縮負荷性能常見的途徑,隨著序號的增加,優(yōu)先程度依次降低。改進量的設置為推薦值,當改進量的值超出推薦值范圍,改進效果反而會變差,而且有可能影響零件的其他功能。此外,金屬骨架在膠條設計中屬于比較浮躁的部分,一般不輕易更改。而通過調(diào)整海綿泡管的厚度則可行且效率較高。
所以,將膠條泡管右側(cè)壁厚度減少0.3 mm,變?yōu)?.51 mm,減薄后的膠條幾何截面如圖6所示。
將新的膠條截面重新進行網(wǎng)格劃分,賦上材料屬性,施加約束條件,然后提交計算,結(jié)果如圖7(新截面膠條變形后形狀)和圖8(新截面所示膠條壓縮力隨時間變化)。
從結(jié)果可知,由于膠條壁厚的減小,最大壓縮力減小為5.9 N,減小了12%,效果明顯,同時等效柯西應力增加為0.38 MPa,僅增加了4%,對膠條的使用性能影響很小,其他如最大法向接觸力減小為2.03 N,接觸摩擦力減小為0.75 N。
通過對比前后計算結(jié)果可知,通過減小膠條泡管的厚度,極大地減小了壓縮力的大小,這將有利于車門關(guān)閉力的減少,同時優(yōu)化后的最大應力滿足設計要求。
4 實驗驗證
汽車車門關(guān)閉力過大一直備受消費者的詬病,同時也是各主機廠關(guān)注的難題,而車門密封條及其與車身的配合性是影響車門關(guān)閉力的主要因素之一。
我們在測量關(guān)門力的時候,是以車門能夠進二級鎖止的最小速度來評判車門關(guān)門力的大小,測試儀器及安裝如圖9所示。上汽通用五菱股份有限公司的標準是車門關(guān)閉速度不大于1.3 m/s。
為了驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性,對膠條斷面優(yōu)化后的車型進行了關(guān)門速度測試,同時為了保證數(shù)據(jù)的可靠,依次測量了4輛NS階段某款開發(fā)車型的關(guān)閉速度(見表2)。
從實驗數(shù)據(jù)可以看出,除了第3輛車的左后門車門關(guān)閉速度稍高于1.3 m/s,其他數(shù)據(jù)皆滿足出廠要求,第2輛車的左后門為1.06 m/s,遠低于行內(nèi)標準。說明優(yōu)化后的膠條滿足設計要求。
5 結(jié)論及展望
從密封膠條的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中,工程師可以獲得很多實驗難以測試的結(jié)果,比如柯西應力、法向接觸力等,相比于實驗手段更加方便,而且當密封膠條與鈑金的相對關(guān)系給定時,有限元分析能夠壓縮全過程的壓縮負荷曲線,密封條的接觸狀態(tài)也可以能夠直觀地反映出來。
通過有限元分析結(jié)果,判斷膠條壓縮力過大,將會導致車門關(guān)閉力增加,影響客戶滿意度。因此,優(yōu)化了截面厚度,并用關(guān)門速度實驗驗證了設計的可行性。
相于傳統(tǒng)的試制實驗方法,利用有限元分析軟件進行前期開發(fā),可以縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,而且可以獲得試驗中很多難以測試的數(shù)據(jù),更加全面地評估設計可行性以便及時更改和優(yōu)化產(chǎn)品。
由于橡膠材料的不穩(wěn)定性及實驗設備的缺乏,本文沒有從材料方面進行優(yōu)化討論。
參 考 文 獻
[1]M Mooney.A theory of large elastic deformation[J].Journal of Applied Physics,1940(6):582.
[2]趙建才.轎車車門密封條壓縮變形的計算機仿真[J].計算機仿真,2002(3).
[3]董葉順.汽車門框密封條結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化的CAE分析[J].橡膠工業(yè),2002(10).
[4]李衛(wèi)平.轎車車身密封結(jié)構(gòu)及其仿真[D].武漢:武漢理工大學,2009.
[5]魏勛強.汽車車門密封條對車門關(guān)閉力影響因素探索[J].中國科技信息,2012(9).
[6]袁進兵.淺談汽車車身減壓閥在汽車關(guān)門時對車門關(guān)門力的影響[J].企業(yè)與科技,2015(19/20).
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