轎車密封條滾剪鋁帶斷裂因素分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

趙建才，汪先林，姜麗麗，吳定凱

(建新趙氏集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315615)

0 引言

轎車門洞密封條主要由海綿膠、密實(shí)膠和骨架組成，其中骨架主要起支撐和夾持固定作用，常用0.5 mm厚的鋼帶。為了輕量化需要，門洞密封條骨架采用經(jīng)濟(jì)型滾剪鋁帶。但是在密封條擠出試制過程中，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。為了分析影響鋁帶斷裂的因素，本文作者利用MSC.Marc軟件建立了鋁帶有限元分析模型，對(duì)鋁帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 建立鋁帶的分析模型

1.1 鋁帶的結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)制造工藝的不同，鋁帶可分為滾剪鋁帶、滾壓鋁帶和平板鋁帶。根據(jù)表面是否涂層，鋁帶又可分為涂層滾剪鋁帶、涂層滾壓鋁帶和涂層平板鋁帶。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，門洞密封條骨架采用滾剪鋁帶。

1.2 鋁帶的幾何參數(shù)

鋁帶的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括寬度B、厚度H、齒寬B1、齒間距T和橋接結(jié)構(gòu)參數(shù)。滾剪橋接采用雙橋結(jié)構(gòu)，其參數(shù)包括橋接寬度b1、b2，橋接厚度h，切口寬度b3，如圖1所示。

1.3 鋁帶的計(jì)算模型

鋁帶長度方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本一致，選取7個(gè)齒寬作為計(jì)算長度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。對(duì)鋁帶幾何模型進(jìn)行離散處理，得到有限元模型。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的符合度，設(shè)置邊界條件：(1)鋁帶下部固定；(2)鋁帶上部增加一條直線與單元粘結(jié)為一體，根據(jù)鋁的拉伸率，確定直線向上拉伸長度為3 mm。鋁帶的計(jì)算模型如圖2所示。

表1 鋁帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與幾何尺寸 mm

圖2 鋁帶計(jì)算模型

2 鋁帶的材料參數(shù)

滾剪鋁帶的材料采用5754H22，彈性模量E為70 GPa，泊松比ν為0.33，密度ρ為2.7 g/cm3，屈服強(qiáng)度為137 MPa，拉伸強(qiáng)度為240 MPa，拉伸率為10.8%。

3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

通過有限元計(jì)算可以得到鋁帶拉伸后應(yīng)力云圖，如圖3所示。鋁帶的最大應(yīng)力為244.79 MPa，其位置在橋接根部尖角處。當(dāng)最大應(yīng)力大于拉伸強(qiáng)度時(shí)，鋁帶沿著尖角處斷裂。這與鋁帶拉伸試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，鋁帶斷裂位置沿著橋接根部尖角處開始產(chǎn)生裂紋，最后在4個(gè)橋接根部處斷裂，如圖4所示。

4 鋁帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

4.1 鋁帶斷裂原因分析

密封條擠出試制過程中，分析鋁帶骨架出現(xiàn)斷裂的原因如下：(1)由于5754H22鋁帶材料抗拉強(qiáng)度較低，易導(dǎo)致斷裂；(2)由于鋁帶的橋接厚度小，加之尖角，易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象；(3) 由于鋁帶本身較軟，在擠出時(shí)橡膠膠料很容易把鋁帶擠壓變形，導(dǎo)致無法正常擠出。

4.2 鋁帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

通過MARC軟件的計(jì)算分析和鋁帶拉伸試驗(yàn)，認(rèn)為滾剪鋁帶結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改進(jìn)。

方案一，更改鋁帶結(jié)構(gòu)：橋接厚度增加0.3 mm，同時(shí)尖角改為0.2 mm圓角，如圖5所示。

方案二，更改材料牌號(hào)：將5754H22更改為5052H36，提高鋁材的抗拉強(qiáng)度。

圖5 鋁帶結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

4.3 結(jié)果對(duì)比

經(jīng)有限元計(jì)算分析可以得到，鋁帶改進(jìn)結(jié)構(gòu)達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，所承受最大拉力為571 N；鋁帶材料改為5052H36后，到抗拉強(qiáng)度時(shí)，所承受最大拉力為339 N。而鋁帶原結(jié)構(gòu)達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，所承受最大拉力為331 N，如圖6所示。因此，采用鋁帶改進(jìn)結(jié)構(gòu)能有效提高拉力。

圖6 鋁帶拉伸的拉力與時(shí)間的關(guān)系曲線

4.4 口模試制驗(yàn)證

在老口模的基礎(chǔ)上，對(duì)新口模流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)向器前端部位前移使之盡可能地往前靠，主要是減小鋁帶和口模之間的摩擦力，以降低其拉力。

試制結(jié)果證明：使用改進(jìn)結(jié)構(gòu)鋁帶骨架擠出正常，沒有再出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文作者利用MSC.Marc軟件建立了鋁帶有限元分析模型，對(duì)鋁帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明：鋁帶的最大應(yīng)力為244.79 MPa，其位置在橋接根部尖角處。當(dāng)最大應(yīng)力大于拉伸強(qiáng)度時(shí)，鋁帶沿著尖角處斷裂，這與鋁帶拉伸試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

本文作者提出了兩種優(yōu)化方案，優(yōu)化結(jié)果表明：鋁帶改進(jìn)結(jié)構(gòu)達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，所承受最大拉力為571 N；鋁帶材料改為5052H36后，達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，所承受最大拉力為339 N。與原結(jié)構(gòu)達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)所承受最大拉力為331 N對(duì)比，鋁帶改進(jìn)結(jié)構(gòu)能有效提高拉力。新開口模試制驗(yàn)證表明：使用改進(jìn)結(jié)構(gòu)鋁帶骨架擠出正常，沒有再出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。