王春偉 操芹 張景煌 江想蓮 王若滿

摘 ?要：運(yùn)用非線性有限元方法對(duì)汽車尾門密封條壓縮進(jìn)行仿真分析，并對(duì)兩種影響因素下的壓縮變形及壓縮力進(jìn)行仿真和試驗(yàn)的對(duì)比。結(jié)果表明，橡膠材料的Mullins效應(yīng)明顯影響汽車尾門密封條的壓縮變形及壓縮力;通過摩擦力試驗(yàn)獲取的尾門及其密封條間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，可直接用于密封條壓縮仿真分析。

關(guān)鍵詞：汽車尾門密封條;影響因素;壓縮變形;有限元分析

中圖分類號(hào)：U465.4+2 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0052-04

Research On Influencing Factors Of Compression Simulation

Of Automobile Tailgate Sealing Strip

WANG Chun-wei， CAO Qin， ZHANG Jing-huang， JIANG Xiang-lian， WANG Ruo-man

（ Dongfeng Motor Company Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The nonlinear finite element method is used to simulate the compression of automobile tailgate sealing strip， and the compression deformation and compression force under the two influencing factors are simulated and compared with the test. The results show that the Mullins effect of rubber material obviously affects the compression deformation and compression force of automobile tailgate sealing strip; the sliding friction coefficient between the tailgate and its sealing strip obtained from the friction test can be directly used for the compression simulation analysis of the sealing strip.

Key Words： Tailgate Sealing Strip; Influence Factors; Compression Deformation; Finite Element Analysis

尾門密封條作為汽車密封系統(tǒng)中最重要的密封部件，它不僅可以起到隔聲、隔熱的作用，而且還可以減少尾門在關(guān)閉過程中的沖擊及汽車行駛過程中的振動(dòng)[1-3]。

近年來，行業(yè)專家對(duì)影響尾門密封條壓縮仿真的因素進(jìn)行了大量的研究。Li等[4]通過三維仿真分析對(duì)密封條的彎曲性能進(jìn)行了研究;Moon等[5]利用顯式算法來研究密封條各段的壓縮仿真分析;M. KENA等[6]研究了車門不同位置的密封間隙對(duì)關(guān)門品質(zhì)的影響;黃燕敏[7]通過研究密封條唇邊的厚度及角度、涂層、接角等影響因素對(duì)密封條的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

本工作針對(duì)汽車尾門密封條壓縮，采用非線性有限元分析軟件Abaqus研究Mullins效應(yīng)的材料參數(shù)及滑動(dòng)摩擦因數(shù)對(duì)尾門密封條變形過程及壓縮力的影響。

1 ? ?汽車尾門密封條的壓縮試驗(yàn)

根據(jù)QC/T 710-2004 《汽車密封條壓縮負(fù)荷試驗(yàn)方法》對(duì)汽車尾門密封條進(jìn)行壓縮試驗(yàn)[8]，如圖1所示：

2 ? ?汽車尾門密封條模型

2.1 ? 斷面模型

尾門密封條斷面的仿真模型如圖2所示，其主要包含海綿膠、密實(shí)膠及鋼骨架三部分。仿真分析的邊界條件及壓縮過程嚴(yán)格控制與試驗(yàn)保持一致，減少客觀誤差的影響。

2.2 ? 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

對(duì)于橡膠材料來說，其力學(xué)特性較為復(fù)雜，需要通過非線性的本構(gòu)模型進(jìn)行描述。

2.2.1 海綿膠

反映海綿膠力學(xué)性能特性的本構(gòu)模型為Hyperfoam模型[9]，其本構(gòu)方程為：

（1）

式中：U為單位參考體積的應(yīng)變能;Jel是“熱膨脹”中定義的彈性體積比; ?為偏應(yīng)力;μi、αi、βi均為與溫度有關(guān)的材料常數(shù)，它們是由單軸壓縮、簡(jiǎn)單剪切與體積壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來確定的。如表1所示為本文所用海綿膠的材料本構(gòu)參數(shù)，其值均由材料試驗(yàn)進(jìn)行擬合獲得。

2.2.2密實(shí)膠

反映密實(shí)膠力學(xué)性能特性的本構(gòu)模型為Ogden（N=3）本構(gòu)模型[10]，其本構(gòu)方程為：

（2）

如表2所示為本文所用密實(shí)膠的材料本構(gòu)參數(shù)，其值均由材料試驗(yàn)進(jìn)行擬合獲得。

3 ? ?汽車尾門密封條壓縮仿真的影響因素

3.1 ? Mullins效應(yīng)

橡膠材料存在著較為明顯的Mullins效應(yīng)，即橡膠材料在受到外力的作用下，會(huì)發(fā)生應(yīng)力軟化，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致材料的各向異性[11]。為了減少橡膠材料Mullins效應(yīng)的影響，提高非線性有限元分析的精度，我們?cè)谶M(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)的過程中至少要進(jìn)行5次以上的加卸載過程，對(duì)最終的初始應(yīng)變值進(jìn)行調(diào)整，使得起始應(yīng)變值歸零。

Mullins效應(yīng)的損傷變量公式[2，11]如下：

（3）

（4）

式中：η為損傷變量;Udev為材料變形中某點(diǎn)的應(yīng)變值，Udevm為該點(diǎn)的應(yīng)變最大值;r、m、β為材料參數(shù)（r>1，m≥0，β≥0且m、β不同時(shí)為0）;erf （x）為誤差函數(shù)。當(dāng)Udev = Udevm 時(shí)，η=1.0;當(dāng)Udev=0時(shí)，η=ηmin= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;

因此，損傷變量η的變化范圍為ηmin≤η≤ 1.0。

本文采用的Mullins效應(yīng)參數(shù)如表3所示，其值均由材料試驗(yàn)進(jìn)行擬合獲得。

如圖3表示材料屬性考慮Mullins效應(yīng)的材料參數(shù)對(duì)尾門密封條的壓縮仿真分析的影響誤差圖。其中，壓縮仿真分析的誤差δ定義[8]為：

（5）

式中：fs為仿真尾門密封條的壓縮力，fe為試驗(yàn)尾門密封條的壓縮力。

通過誤差圖可以分析發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)建橡膠材料屬性時(shí)考慮Mullins效應(yīng)的材料參數(shù)，其壓縮的誤差較低，變形反力與實(shí)際壓縮試驗(yàn)的壓縮特性曲線相接近，擬合度更好，誤差值也在可接受的范圍內(nèi)。這也充分證明了Mullins效應(yīng)導(dǎo)致的材料損傷軟化，很大程度上影響仿真與試驗(yàn)的壓縮力差異。

3.2 ? 滑動(dòng)摩擦因數(shù)

尾門密封條在壓縮變形過程中，主要存在的接觸關(guān)系[12]：（1）密實(shí)膠與金屬骨架之間的接觸關(guān)系;（2）海綿膠自身間多個(gè)位置的接觸關(guān)系;（3）尾門剛體與尾門密封條之間的接觸關(guān)系，兩者之間的摩擦類型為庫(kù)侖摩擦，其方程如下：

（6）

式中：τf為摩擦力;f為滑動(dòng)摩擦因數(shù)，其值低于1;σn為正壓力。

硫磺、硫化環(huán)境等因素的差異，導(dǎo)致橡膠材料的表面硫化層的厚度及表面質(zhì)量有所差異，故橡膠材料的滑動(dòng)摩擦因數(shù)較難獲得準(zhǔn)確值。通過摩擦力試驗(yàn)，對(duì)本批次材料的滑動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)量，滑動(dòng)摩擦因數(shù)的范圍為0.5～0.7。在進(jìn)行密封條壓縮仿真分析時(shí)，摩擦因數(shù)需要某個(gè)特定值。故本文通過梯度選取摩擦因數(shù)，對(duì)比壓縮仿真過程中的密封條變形形式與試驗(yàn)的差異，進(jìn)而確定準(zhǔn)確度摩擦因數(shù)。

圖4、圖5分別表示不同滑動(dòng)摩擦因數(shù)下的壓縮量變化曲線及壓縮變形。從圖中可以看出，滑動(dòng)摩擦因數(shù) f 在0.5 ～ 0.7的范圍內(nèi)，其壓縮量變化曲線完全一致;選取摩擦因數(shù)為0.60時(shí)模擬尾門與橡膠泡管的變形形式，可以發(fā)現(xiàn)其最終變形與試驗(yàn)的近乎一致。因此，在進(jìn)行密封條壓縮仿真分析時(shí)，其摩擦因數(shù)可直接選取試驗(yàn)獲得的滑動(dòng)摩擦因數(shù)值。

4 ? ?結(jié)論

（1）壓縮仿真分析建模時(shí)，充分考慮橡膠材料中存在的Mullins效應(yīng)，可以有效的降低仿壓縮仿真分析的誤差，大大提升仿真與試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)精度。

（2）尾門密封條的壓縮力仿真分析中的摩擦因數(shù)，可以直接通過摩擦力試驗(yàn)獲取。

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王春偉

畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)，工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，任責(zé)任工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度、空調(diào)流體仿真分析等，曾發(fā)表論文2篇。

專家推薦語(yǔ)

龍從林

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

車身部總師 ?研究員級(jí)工程師

本文采用考慮Mullins效應(yīng)的本構(gòu)模型，對(duì)正壓力和摩擦力的模擬準(zhǔn)確，求得的尾門密封條的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、密封條變形形式都與試驗(yàn)高度吻合，仿真精度明顯高于業(yè)內(nèi)普遍水平。