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        車門密封條壓縮力的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

        2019-07-02 06:20:06馬天兵蔣明明謝有浩
        關(guān)鍵詞:壓縮力密封條車門

        馬天兵,周 青,蔣明明,謝有浩

        (1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽獵豹汽車有限公司,安徽 滁州 239000)

        福特公司的一份測(cè)試報(bào)告顯示,車門密封條壓縮阻力占整體車門關(guān)閉能量的30%~50%[1]。在車門關(guān)閉過程中,當(dāng)密封條相對(duì)門框逼近時(shí)受到擠壓發(fā)生變形,變形過程中產(chǎn)生壓縮反力,是阻礙車門關(guān)閉的主要因素。密封條安裝到車門上,在車門關(guān)閉的情況下會(huì)承受一定的壓縮負(fù)荷。密封條材料的非線性、壓縮后的結(jié)構(gòu)形狀以及壓縮負(fù)荷在密封條內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力等因素對(duì)密封條的隔聲性能都有一定的影響[2]。李歡[3]借助非線性有限元Msc.Marc軟件研究了汽車車門密封條起皺分析及優(yōu)化。確定原設(shè)計(jì)存在裝配困難的問題,并提出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化方案。在模擬車身對(duì)密封條的壓縮過程中,利用Marc有限元建模,將密封條模型可轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變問題。本文對(duì)車門密封條壓縮力的研究,將有助于改善車門系統(tǒng)的性能,同時(shí)為改進(jìn)密封條截面設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

        1 車門密封條壓縮力分析

        在車門關(guān)閉過程中,研究表明密封條壓縮力的能量消耗最大,是車門啟閉便捷性重要影響因素。故需要對(duì)密封條變形過程分析其壓縮力的情況。

        由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及研究測(cè)試情況知,密封條壓縮過程中受到不同部件的接觸,主要有三種受力情況,其受力分析示意圖如圖1所示。

        圖1 密封條受力分析示意圖

        由圖1知:密封條與車門鈑金四周接觸的大多數(shù)位置,主要受法向力F1;對(duì)于車門后部分,主要受擠壓作用力F3,會(huì)促使密封條產(chǎn)生彎矩變化;在于車門平直上方,車門關(guān)閉過程中會(huì)受繞鉸鏈轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)作用,此時(shí)密封條擠壓變化時(shí)同時(shí)承受法向力F1與剪切力F2,兩種力作用的結(jié)果促使密封條變形產(chǎn)生“摩擦翻搓”的效果。綜合受力情況與實(shí)際測(cè)試,車門關(guān)閉過程中密封條受力變形最主要受到法向力F1作用。故本文有關(guān)車門密封條的壓縮力計(jì)算中,主要研究的是車門鈑金使密封條壓縮變形的法向力。

        2 密封條壓縮力的仿真分析與試驗(yàn)

        2.1 密封條橡膠材料特性研究

        密封條是對(duì)汽車某些部件周圍間隙進(jìn)行密封的橡膠件。密封條材料具有一系列優(yōu)異的性能,如最顯著的物理特性是在較小應(yīng)力作用下發(fā)生很大的變形。一般情況下,橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變的非線性特征明顯, 其最大伸長(zhǎng)量范圍是500%~1 000%,故只有在小應(yīng)變范圍內(nèi),才能定義楊氏模量(曲線正切值表示),而其值僅在1.0MPa數(shù)量級(jí)。所以,橡膠與一般堅(jiān)硬固體之間存在較大的差別。

        橡膠是典型的超彈性材料,在力的作用下會(huì)發(fā)生非線性彈性變形,其靜態(tài)特性具有情況如下:(a)相對(duì)較低的伸長(zhǎng)模量與剪切模量;(b)相對(duì)較高的伸長(zhǎng)率,通常能在拉伸至500%情況下不會(huì)發(fā)生永久變形;(c)類比于小變形的金屬,表現(xiàn)出高度的非線性特性,且不滿足胡克定律關(guān)系。

        本文對(duì)密封膠條壓縮力的求解,采用商業(yè)非線性仿真計(jì)算分析軟件Marc,該軟件表示橡膠材料力學(xué)性能一般使用應(yīng)變能密度函數(shù)的形式。當(dāng)運(yùn)用這些軟件進(jìn)行仿真與計(jì)算時(shí),需要輸入橡膠材料相應(yīng)地力學(xué)性能常數(shù),即應(yīng)變能密度函數(shù)參數(shù)。由文獻(xiàn)[2]知,軟件中提供的Foam模型是反映密封膠條材料力學(xué)性能最適合的本構(gòu)模型, 該模型適用于變形大的、高度非線性的彈性材料,同樣可用于可壓縮的橡膠材料,能夠準(zhǔn)確反映橡膠的材料特性。因此,本文選用該模型進(jìn)行后續(xù)的仿真計(jì)算,該模型表達(dá)式見式(1)。

        (1)

        式中:λ1,λ2,λ3為主伸長(zhǎng)比;αi,ui為與溫度相關(guān)的材料常數(shù);βi為依賴于溫度的材料常數(shù);αi,uiβi其值根據(jù)海綿橡膠材料的單軸拉伸、平面剪切及體積試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定;J為彈性體積比,J=λ1λ2λ3[4]。

        2.2 Marc軟件非線性仿真分析求解過程

        密封條作為一種橡膠件,屬于超彈性材料,壓縮過程表現(xiàn)出高度的非線性行為,在拉伸、剪切和壓縮載荷作用下的力學(xué)特性是彈性、粘性、Mullins效應(yīng)共同作用的結(jié)果[5]。本節(jié)用Marc軟件對(duì)密封條壓縮過程進(jìn)行有限元分析研究,以測(cè)得車門密封條的壓縮力。首先,從CAD數(shù)據(jù)得到密封條仿真分析的幾何模型;然后,將幾何模型導(dǎo)入Marc軟件中生成密封條未變形時(shí)的二維有限元模型圖,即密封條斷面幾何模型,如圖2所示。

        圖2 密封條斷面幾何模型

        整個(gè)仿真過程分成兩個(gè)步驟,其一是模擬車門對(duì)密封條的裝配過程,其二是模擬車身對(duì)密封條的壓縮過程[6],考慮密封條的實(shí)際幾何尺寸情況,由于在長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其他方向的幾何尺寸,可假定密封條所受外界載荷是平行于結(jié)構(gòu)的橫截面,同時(shí)在長(zhǎng)度方向上均勻分布;因此,密封條模型可轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變問題。根據(jù)Marc軟件的有限元程序,建立好基于固定位移及選定粘著——滑動(dòng)摩擦模型的邊界條件。有限元仿真分析選用四邊形單元,同時(shí)為了保證在密封條厚度方向與表面接觸區(qū)域能夠進(jìn)行足夠的網(wǎng)格細(xì)分,單元尺寸一般選0.3~0.7mm,取0.4mm。Marc有限元建模的參數(shù)見表1,分析結(jié)果如圖3所示。

        表1 有限元建模參數(shù)定義

        圖3 有限元分析結(jié)果圖

        從圖3可以看出,在模擬車身對(duì)密封條的壓縮過程時(shí),車門關(guān)閉過程中會(huì)受繞鉸鏈轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)作用擠壓密封條,此時(shí)密封條發(fā)生明顯的形變位移,有限元分析結(jié)果圖中紅色區(qū)域在壓縮變形過程中產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中,而其他區(qū)域基本上沒有紅色區(qū)域,壓縮負(fù)荷較小。

        2.3 密封膠條壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

        進(jìn)行密封條壓縮實(shí)驗(yàn)前,需控制好室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。密封條壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)的測(cè)試件與裝置,如圖4所示。

        圖4 密封條壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置安裝有位移和力傳感器,其壓縮行程與速度由計(jì)算機(jī)控制。車門鈑金工裝水平安裝于工作平臺(tái)上,其上安裝密封條樣件。同時(shí),車門鈑金工裝水平安裝于材料試驗(yàn)機(jī)上工作平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)過程中,車門鈑金工裝以設(shè)定的速度豎直向下壓縮密封條。由計(jì)算機(jī)讀取壓縮力數(shù)據(jù),并繪制出壓縮負(fù)荷特性曲線,如圖5所示。

        壓縮量/mm圖5 實(shí)驗(yàn)壓縮負(fù)荷特性曲線

        可以看出,壓縮反作用力隨著密封條壓縮量的增大而增大,呈非線性變化,密封條在壓縮過程中與側(cè)圍鈑金相互接觸,壓縮量過大,會(huì)導(dǎo)致壓縮負(fù)荷增加;壓縮量過小則會(huì)降低車門的密封性。

        2.4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

        密封條壓縮負(fù)荷曲線的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)比曲線如圖6所示。由分析結(jié)果可知,兩者誤差很小,且誤差均在6%以內(nèi)??紤]到工程實(shí)際應(yīng)用情況,如密封條上排氣孔因素,導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果存在一定誤差。

        圖6 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖

        由圖6可以得知,實(shí)驗(yàn)曲線與仿真分析曲線基本重合,誤差很小,因此可以用Marc軟件仿真結(jié)果為基準(zhǔn)。

        3 結(jié)論

        車門密封條是車輛密封系統(tǒng)中重要的密封件,密封條的壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)對(duì)提高車輛密封性及改善關(guān)門效果具有重要意義。

        鑒于密封條屬于超彈性材料,壓縮過程表現(xiàn)出高度的非線性行為。故本文通過Marc軟件求解了密封膠條的壓縮力,同時(shí)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品對(duì)車門密封條進(jìn)行壓縮負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。最終,將密封條斷面進(jìn)行仿真求得的壓縮力與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到密封條壓縮負(fù)荷曲線對(duì)比圖,驗(yàn)證了仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。結(jié)果表明,在實(shí)際的復(fù)雜應(yīng)用中,使用Marc軟件仿真求解密封條壓縮過程中壓縮力的結(jié)果是非常有效的,同時(shí)為改進(jìn)密封條截面設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

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