彭冬冬， 黃顯利， 劉鑫明， 高振波

(中通客車(chē)股份有限公司， 山東 聊城 252000)

客車(chē)車(chē)門(mén)密封系統(tǒng)中最主要的密封部件是橡膠密封條。它可以防止風(fēng)沙、雨水、灰塵進(jìn)入車(chē)內(nèi)，也可提高隔聲和隔熱性能，還可以利用其自身結(jié)構(gòu)中海綿泡管空腔等部位的彈性性能與鈑金或裝飾件等物體接觸產(chǎn)生接觸壓力，起到密封和裝飾作用。同時(shí)，它還能在一定程度上彌補(bǔ)車(chē)門(mén)與車(chē)身之間的裝配誤差。因此，研究密封條的結(jié)構(gòu)形狀和壓縮變形特性具有很重要的實(shí)際意義。本文對(duì)車(chē)門(mén)密封條的壓縮變形進(jìn)行仿真與試驗(yàn)分析，為密封條結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化提供參考。

1 密封條的壓縮仿真分析

1.1 密封條有限元模型

車(chē)門(mén)密封條主要由海綿橡膠、密實(shí)橡膠和金屬骨架三部分組成，海綿橡膠與密實(shí)橡膠通過(guò)擠壓成型，密實(shí)橡膠與金屬骨架組成硬質(zhì)夾持部分。由于密封條在長(zhǎng)度方向上的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余兩個(gè)方向，所以可以認(rèn)為其所承受的載荷平行于其橫截面，并且沿長(zhǎng)度方向均勻分布。因此密封條的壓縮變形可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。本文用剛體來(lái)表示車(chē)門(mén)，在不影響結(jié)果的情況下對(duì)密封條夾持部分作相應(yīng)的簡(jiǎn)化，去掉圖1(a)中所示夾持區(qū)域的夾持齒。網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，網(wǎng)格尺寸為0.15 mm，生成的密封條未變形時(shí)的有限元網(wǎng)格模型如圖1(b)所示。

(a) 未簡(jiǎn)化幾何模型

1.2 密封條材料屬性

密實(shí)橡膠和海綿橡膠的主要原材料為三元乙丙(EPDM)橡膠。兩種橡膠采用不同的發(fā)泡機(jī)理和組成成分，所顯現(xiàn)的材料特性會(huì)不同。密實(shí)橡膠密度較大，氣孔率較低，被認(rèn)為是相對(duì)不可壓縮材料；海綿橡膠氣孔率較高，密度較低，在0.6～0.9 g/cm之間，是可壓縮材料。在較小載荷作用下，海綿橡膠會(huì)產(chǎn)生很大變形，并且會(huì)表現(xiàn)出明顯的非線性特性。

在有限元分析軟件中，常用應(yīng)變能密度函數(shù)模型來(lái)描述橡膠材料的屬性。其中Mooney-Rivlin本構(gòu)模型和Ogden本構(gòu)模型是EPDM橡膠密封條材料常用的應(yīng)變能密度函數(shù)模型。本文在有限元仿真軟件Workbench中，為描述橡膠材料的大變形特性和保證仿真計(jì)算結(jié)果的精確性，選用應(yīng)變能密度函數(shù)多項(xiàng)式為3階的Ogden本構(gòu)模型，并采用同行業(yè)中該種材料的其他參數(shù)，剪切模量常數(shù)：MU=0.07 MPa，MU=-0.06 MPa，MU=0.08 MPa；應(yīng)變硬化指數(shù):=12，=-5，=1；可壓縮性能參數(shù)(用于表示體積變化)：=0.6 MPa，=2.5 MPa，=0.5 MPa。

密實(shí)橡膠采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度函數(shù)的模型為

=(-3)+(-3)

(2)

式中：和為橡膠材料的Rivlin系數(shù)，均為正定常數(shù)，分別取8 MPa和2 MPa。

1.3 邊界條件

車(chē)門(mén)與密封條的接觸屬于“剛體與可變形體”的“面-面”接觸類型，定義車(chē)門(mén)剛體作為“目標(biāo)”面，海綿橡膠作為“接觸”面，摩擦系數(shù)為0.2。海綿橡膠與密實(shí)橡膠接觸設(shè)為綁定接觸，兩者不能脫開(kāi)也不允許有相對(duì)滑動(dòng)。密實(shí)橡膠與金屬骨架之間的接觸可視為粗糙度無(wú)限大，且兩者表面沒(méi)有分離。對(duì)車(chē)門(mén)剛體施加沿軸方向向下位移4 mm的載荷。夾持部位作為固定支撐(如圖2所示)。

1.4 壓縮變形仿真結(jié)果分析

密封條變形前后的形狀和海綿泡管結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖如圖2和圖3所示。從圖3中可以得出，密封條壓縮4 mm時(shí)其最大等效應(yīng)力為0.185 81 MPa，位于海綿橡膠與密實(shí)橡膠膠接處，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為4.569 N，主要是由于應(yīng)力集中引起的，此處的海綿橡膠泡頂?shù)淖冃瘟恳沧畲螅瑸? mm。

圖2 密封條變形前后形狀

圖3 海綿泡管等效應(yīng)力圖

2 密封條的壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 壓縮試驗(yàn)

根據(jù)QC/T 710—2004《汽車(chē)密封條壓縮負(fù)荷試驗(yàn)方法》，本文所用密封條壓縮負(fù)荷試驗(yàn)的裝置與試樣如圖4所示。

圖4 密封條壓縮負(fù)荷試驗(yàn)的裝置與試樣

試驗(yàn)前，通過(guò)控制面板設(shè)定試驗(yàn)速度為12 mm/min，壓縮高度為4 mm。記錄壓縮負(fù)荷與密封條形變數(shù)據(jù)，如圖5中相應(yīng)曲線所示。

圖5 密封條壓縮仿真與試驗(yàn)對(duì)比CLD曲線

2.2 試驗(yàn)與仿真對(duì)比

根據(jù)壓縮載荷與位移形變關(guān)系，可以得到密封條壓縮CLD曲線。密封條壓縮仿真與試驗(yàn)對(duì)比CLD曲線如圖5所示?？梢钥闯?，壓縮至 4 mm時(shí)，作用在密封條上的壓縮載荷試驗(yàn)值為4.6 N，仿真值為4.569 N，二者幾乎一致。另外，壓縮載荷隨著密封條形變的增加而呈非線性增大，試驗(yàn)與仿真曲線基本重合，可以驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)密封條仿真與試驗(yàn)研究對(duì)比，驗(yàn)證了仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。結(jié)果表明，在實(shí)際應(yīng)用中，使用軟件仿真求解密封條壓縮過(guò)程中壓縮力的結(jié)果是有效的，可以為密封條的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。