王曉輝，常 亮，聶小華，鮑志光

（1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065；?2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古?包頭?014032）

對(duì)車輛來說，駕駛門的密封性及安全性顯得尤為重要，而橡膠密封條作為車輛零部件中技術(shù)含量較高的產(chǎn)品，對(duì)于整車性能提升扮演著重要角色。為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，在密封條產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)關(guān)注其功能性和可靠性。國內(nèi)學(xué)者對(duì)此展開了一系列研究，如黃艷敏[1]對(duì)轎車車門密封截面的插拔變形與彎曲變形的仿真模擬，趙建才[2]對(duì)轎車車門密封條的改良設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證分析，陳少偉[3]采用智能算法提出一種自動(dòng)求解密封條本構(gòu)模型系數(shù)的方法等。從國內(nèi)外研究趨勢和現(xiàn)狀來看，對(duì)于橡膠材料本構(gòu)模型的研究和橡膠壓縮性能的數(shù)值模擬目前依然是密封性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。鑒于此，本文基于高效的分段建模有限元分析方法，進(jìn)行了某型車輛裝備駕駛門密封條的壓縮變形模擬分析，為車輛裝備密封條的優(yōu)化及設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)信息。

1 車門密封條有限元建模

1.1 車門密封條幾何結(jié)構(gòu)

駕駛室車門精簡結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含：1-玻璃窗框；2-門板；3-車門合頁組件；4-門把手與鎖子系統(tǒng)；5-門框側(cè)圍；6-車門雨檔；7-加強(qiáng)筋板01；8-加強(qiáng)筋板02；9-門框；10-橡膠密封圈和11-其他附件。

其中，車門密封條的截面結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括三部分：硬橡膠、軟橡膠和結(jié)構(gòu)鋼。硬橡膠用于固定在車體上；結(jié)構(gòu)鋼在“U”形件中起加持作用；軟橡膠位于密封條最外側(cè)部分，承受車門關(guān)閉時(shí)的壓縮載荷，以產(chǎn)生密封性和回彈性。

圖1 ??簡化后的車門模型

圖2 ??車門密封條幾何結(jié)構(gòu)

1.2 材料本構(gòu)模型的構(gòu)建

對(duì)于密封條橡膠材料，在大變形情況下通常作為超彈性材料處理，因此使用基于應(yīng)變能密度函數(shù)的本構(gòu)模型來描述[4]。本次分析模擬中，在參考文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[5-6]，選擇兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型（50%～150%應(yīng)變范圍內(nèi)的變形），可得到較高的計(jì)算精度。

假設(shè)橡膠體積均為不可壓縮，利用簡化后的僅有2個(gè)材料常數(shù)的應(yīng)變能函數(shù)：

其中，C1，C2為材料常數(shù)，I1，I2為第一，第二不變量，W為應(yīng)變勢能。通過單軸拉伸試驗(yàn)分別得到軟橡膠載荷-變形曲線和硬橡膠載荷-變形曲線，進(jìn)一步通過經(jīng)驗(yàn)公式可得橡膠材料的本構(gòu)系數(shù)，該部分的描述具體可見文獻(xiàn)[7]“基于分段模型的深水壓力作用下車門密封性分析”，最終得到橡膠材料本構(gòu)模型的參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)鋼的材料參數(shù)見表2。

表1 ??橡膠的材料常數(shù)

表2 ??結(jié)構(gòu)鋼的材料屬性

1.3 車門密封條分段模型的構(gòu)建

選擇整個(gè)車門模型進(jìn)行分析，其中橡膠部分的建模和分析計(jì)算占了主要部分。為了減小橡膠部分的計(jì)算規(guī)模，使整個(gè)非線性接觸分析能更好地收斂，考慮將整段橡膠進(jìn)行分段處理，如圖3所示，將整段橡膠分成彎段、直段和直段-彎段連接處橡膠三部分進(jìn)行研究。

圖3 ??車門密封條橡膠分段處理

2 車門壓縮密封橡膠的過程分析

針對(duì)車門密封條密封性分析，可得到密封橡膠的臨界變形量，即保證車門關(guān)閉后橡膠剛好密封住。為此，分兩步來按順序進(jìn)行計(jì)算，首先，研究硬橡膠安裝在門框側(cè)圍上所形成的過盈裝配；其次，分析車門在關(guān)閉過程中壓縮軟橡膠時(shí)，接觸壓力隨變形量之間的關(guān)系。

2.1 硬橡膠與門框側(cè)圍的過盈分析

分析過程中沒有外加載荷作用，只需要在第一個(gè)分析步進(jìn)行過盈接觸分析，即得到硬橡膠與門框側(cè)圍之間的過盈裝配狀態(tài)，如圖4、圖5所示。

圖4 ??硬橡膠與門框的初始狀態(tài)

圖5 ??硬橡膠與門框的過盈裝配分析

2.2 車門整體模型分析結(jié)果

經(jīng)分析可知，整體模型應(yīng)力水平較低，主要分布在螺栓連接孔附近、門把手以及合頁與車門等局部連接處，最大應(yīng)力為101.584 MPa，材料為結(jié)構(gòu)鋼，遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力。

2.3 分段橡膠分析結(jié)果

針對(duì)圖3所示的分段橡膠進(jìn)行壓縮分析。對(duì)于密封性的判斷，可根據(jù)橡膠上的接觸狀態(tài)定性分析。其中接觸區(qū)域閉合，處于粘結(jié)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)密封性良好；接觸區(qū)域閉合，接觸處于滑動(dòng)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)密封可靠性較差；接觸區(qū)域處于開放狀態(tài)，不存在密封性。

2.3.1 彎段橡膠密封性分析

如圖6可知，在車門壓縮過程中，彎段1處的最大接觸壓力為0.289 MPa，且在節(jié)點(diǎn)Node326874被壓縮到1.2 mm附近時(shí)開始產(chǎn)生接觸壓力，并隨著壓縮變形量增大，接觸壓力不斷增加。觀察接觸動(dòng)狀態(tài)可知，彎曲段1橡膠外側(cè)密封唇上的接觸處于滑動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)側(cè)密封唇的接觸處于粘結(jié)-滑移共存狀態(tài)。因此，彎曲段1內(nèi)側(cè)密封性相比于外側(cè)更好，可靠性更高。

圖6 ??彎段1上最大接觸壓力變化曲線

同理以上分析過程，對(duì)密封條典型彎段（如圖3（a）所示）進(jìn)行密封性分析，結(jié)果見表3?？芍獜澏?內(nèi)側(cè)密封唇上的接觸為粘結(jié)-滑移共存狀態(tài)，相應(yīng)整體密封性良好；外側(cè)密封唇為滑移接觸狀態(tài)，故外側(cè)密封性相對(duì)于內(nèi)側(cè)稍差一些。彎段3內(nèi)側(cè)密封唇上的接觸為粘結(jié)-滑移共存狀態(tài)，相應(yīng)整體密封性良好；外側(cè)密封唇為滑移接觸狀態(tài)，故外側(cè)密封性相對(duì)于內(nèi)側(cè)稍差一些。彎段4橡膠外側(cè)密封唇處于滑動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)側(cè)密封唇處于粘結(jié)狀態(tài)，故內(nèi)側(cè)密封性更好。

表3 ??密封條橡膠彎段分析結(jié)果

2.3.2 直段橡膠密封性分析

針對(duì)直段部分的橡膠，為了精確研究每一段橡膠的壓縮變形特性，減少模型的計(jì)算規(guī)模，在原有直條段橡膠的基礎(chǔ)上，將其進(jìn)一步細(xì)分為8段進(jìn)行壓縮分析，如圖7所示。

圖7 ??直條段橡膠分段

如圖8所示，在車門壓縮過程中，直段1處的最大接觸壓力為0.287 MPa，且在節(jié)點(diǎn)Node208450被壓縮到1.23 mm附近時(shí)開始產(chǎn)生接觸壓力，并隨著壓縮變形量增大，接觸壓力不斷增加。進(jìn)一步觀察接觸動(dòng)狀態(tài)可知，整個(gè)直條段1內(nèi)側(cè)密封唇均為粘結(jié)的閉合狀態(tài)，密封性良好；外側(cè)密封唇絕大部分處于粘結(jié)的閉合狀態(tài)，局部區(qū)域出現(xiàn)滑移的接觸狀態(tài)，相比內(nèi)側(cè)密封唇密封性略差一些。

圖8 ??直段1上最大接觸壓力變化曲線

同理以上分析過程，對(duì)密封條典型直段（如圖7所示）進(jìn)行密封性分析，結(jié)果具體見表4。經(jīng)過分析，可知直段3內(nèi)外側(cè)的密封唇均為粘結(jié)的閉合狀態(tài)，密封性良好；直段5內(nèi)外側(cè)密封唇均為粘結(jié)接觸狀態(tài)，密封性良好；直段7內(nèi)外側(cè)密封唇均處于粘結(jié)狀態(tài)，密封性良好。

表4 ??密封條橡膠直段分析結(jié)果

2.3.3 直段 - 彎段連接段橡膠密封性分析

選取直段-彎段連接段的橡膠進(jìn)行分析，從而保證橡膠密封圈的完整性，其中直段-彎段連接處橡膠模型如圖3（c）所示，在此選取直段1和彎段4的連接段1為分析對(duì)象。

如圖9所示，在車門壓縮過程中，最大接觸壓力為0.373 MPa，在壓縮到1.2 mm附近時(shí)開始產(chǎn)生接觸壓力，并隨著壓縮量增大，接觸壓力不斷增加。進(jìn)一步觀察接觸狀態(tài)可知，與直段1連接處的直線段部分為粘結(jié)接觸狀態(tài)，相應(yīng)的密封性良好，與彎段4連接處出現(xiàn)分離和滑移接觸狀態(tài)，相應(yīng)的密封性降低。

圖9 ??連接段1上最大接觸壓力變化曲線

同理以上分析過程，對(duì)密封條直段-彎段連接段所有分段（如圖3（c）所示）進(jìn)行密封性分析，結(jié)果具體見表5。經(jīng)過分析，可知直段-彎段連接段5的直段部分為粘結(jié)接觸狀態(tài)，相應(yīng)的密封性良好，彎段局部出現(xiàn)接觸脫離現(xiàn)象，相應(yīng)的密封性降低。直段-彎段連接段7的直段部分為粘結(jié)接觸狀態(tài)，相應(yīng)的密封性良好，彎段局部出現(xiàn)接觸脫離現(xiàn)象，相應(yīng)的密封性降低。

表5 ??密封條橡膠連接段分析結(jié)果

3 結(jié)束語

駕駛室車門密封條的壓縮性能的優(yōu)劣，對(duì)于車門密封性具有重要作用。本文結(jié)合工程應(yīng)用背景，采用有限元分析方法，通過整體有限元建模，分段選取密封條橡膠模型進(jìn)行了有限元非線性分析，很好地模擬了車門關(guān)閉時(shí)，橡膠被壓縮過程中接觸壓力隨變形的變化過程，以及橡膠上的接觸狀態(tài)對(duì)密封性的影響。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，密封條直段部分在壓縮過程中整體密封性較好，彎段部分在外側(cè)密封唇上的接觸狀態(tài)變化明顯，相應(yīng)密封性減弱。該結(jié)論在密封條產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，可提供產(chǎn)品原型優(yōu)化設(shè)計(jì)參考依據(jù)，有一定的應(yīng)用價(jià)值。