車門不平整度對橡膠密封性能的影響

常亮 王曉輝 鮑志光

摘要：為研究車門不平整度對車輛密封性能的影響，提出一種“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”類密封條分段建模與不平整度模擬的方法。以某型車輛駕駛室車門結構為例，考察車門頂端和局部凹坑不平整度對密封性能的影響。計算結果表明這種建模與分析方法可靠，可高效地模擬車門與橡膠密封條變形前、后的接觸狀態和接觸應力，以及由于局部缺陷引起的不平整度對密封性能的影響。

關鍵詞：車門密封條;分段建模;材料本構模型;不平整度;密封性能

中圖分類號：TP391.9;U463.834文獻標志碼：B

0 引言

對于在涉水、沙塵等特殊復雜的惡劣環境中服役的車輛來說，車門的密封性能非常重要，特別是對于涉水的車輛裝備，其密封性能不好會引起車輛滲水進而導致裝備的整體功能性失效。在車輛設計時，汽車制造企業大多會使用分析工具對車輛密封性能進行分析。WAGNER等采用非線性有限元法分析密封條橡膠材料的超彈性材料性能;LUO等研究應力模擬分析的正確性，使用高次的材料本構模型模擬大變形行為;DIKMEN等考察橡膠密封條材料對整車動態性能的影響，借助試驗數據分析各種橡膠材料模型密封條力學性能的可靠程度。趙建才等針對轎車車門密封條的壓縮變形進行計算仿真分析，獲得支持密封條設計的相關信息。陳少偉將智能算法用于密封條本構模型參數的數值求解中，可提高非線性材料參數識別效率;王勇基于有限元法對轎車車門密封條結構參數進行優化設計。從國內外研究現狀來看，目前大部分研究仍聚焦于密封條橡膠材料的本構模型和橡膠壓縮性能的數值仿真。這些研究認為密封結構是理想的，但在工程實際中經常出現車門結構不平整（局部凹陷凸起等）而導致密封失效的情況。本文從工程需求出發，對某型車輛駕駛室車門密封條進行研究，充分考慮車門不平整度對車門密封性能的影響，為車輛裝備的密封條設計提供技術支持。

1 車門密封條有限元建模

1.1 車門密封條結構特點

簡化后的駕駛室車門模型見圖1。

駕駛室車門密封條主要由硬橡膠、結構鋼和軟橡膠3部分組成，其截面結構見圖2。硬橡膠硫化在金屬骨架上，固定于車體;結構鋼在U形件中起加持作用;軟橡膠位于密封條最外側，主要承受車門關閉時的壓縮載荷，可產生密封和回彈，彌補車門與車體間隙的不均勻性缺陷。

1.2 材料本構模型的建立

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，因此可使用基于應變能密度函數的本構模型描述。結構鋼可采用常用的金屬材料屬性，鑒于橡膠本構模型的多樣性和硬橡膠與軟橡膠的材料本構關系，在參考相關文獻和工程經驗的基礎上，選擇計算精度較高的Mooney-Rivlin模型（應變范圍為0.50-1.50）中的兩參數模型，計算過程如下。

假設橡膠體積均為不可壓縮，采用僅有2個材料常數的簡化應變能函數，即

W=C₁（I₁-3）+C₂（I₂-3） （1）

式中：W為應變勢能;C₁和C₂為超彈性材料常數;I₁和I₂分別為超彈性第一、第二不變量。通過單軸拉伸試驗得到軟橡膠（LH-25B）和硬橡膠（LH-75B）的載荷-變形曲線，分別見圖3和4，進一步通過經驗公式可得到橡膠材料的本構參數。

2種橡膠類型均為發泡橡膠，試驗采用啞鈴片狀試件，其尺寸參數見表1。

在2種橡膠拉伸試驗的載荷-變形曲線上分別取一點，其中LH～5B取點（70mm，60N），LHG5B取點（40mm，60N）。根據應力計算公式δ=F/A可得到2種橡膠密封條截面上的應力分別為4.63和4.42MPa，根據應變計算公式ε=x/l可得到應變分別為2.8和1.6，最后根據彈性模量計算公式E=δ/ε可得到E分別為1.65和2.76MPa。根據經驗，由式（2）計算得到橡膠和結構鋼的材料參數，分別見表2和3。

E=6（C₁₀+C₀₁），C₁₀≈4C₀₁（2）

1.3 車門密封條有限元模型的建立

根據密封條“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”的結構特點，分別使用實體單元、殼單元和梁單元對密封條進行網格劃分。為減小橡膠部分的計算規模，使整個非線性接觸分析更好地收斂，將車門密封條橡膠分為彎段、直段和直段-彎段連接處3部分（見圖5）分段建模，車門密封條有限元模型見圖6。

2 考慮車門不平整度的密封條密封性能分析

按照試驗設計要求和工程經驗，車門不平整度主要考慮車門玻璃上部到車門頂端的變形和車門局部凹坑。在模型構建過程中需要綜合考慮車門上缺陷的方向、位置和面積，為提高分析收斂效率，選取關車門（壓縮橡膠）時的典型密封條段，車門不平整度按4種工況（見表4）進行分析。

HAJIF軟件是中國飛機強度研究所研制的具有自主知識產權的大型航空結構強度分析與優化設計CAE軟件，提供靜力/動力分析、優化設計、氣動彈性分析和熱分析等功能，尤其在結構非線性分析和結構優化設計等方面能力突出，廣泛應用于航空、航天、交通和武器裝備等領域。因此，本文采用HAJIF軟件的非線性分析模塊對車門和密封條進行力學分析。

2.1 工況1構型分析

取車門玻璃上部到車門頂端的單元，按照線性變化的方式將節點位移由外向內從0逐漸增大到3mm，最終車門上部發生局部變形，見圖7。

2.1.1 工況1整體模型分析結果

未變形車門與工況l車門的等效應力云圖對比見圖8。工況l車門局部應力明顯提高，分布區域主要集中在車門的合頁、把手和螺栓連接孔附近。

2.1.2 工況1橡膠密封性能分析

參考橡膠上的接觸狀態可判斷其密封性能，未變形車門頂端和工況1車門頂端的接觸狀態分別見圖9和10。圖中紅色部分表示接觸區域閉合且處于黏結狀態，對應的密封性良好;綠色部分表示接觸區域處于滑移接觸閉合狀態，對應區域雖然密封但可靠性較差;藍色部分表示接觸區域處于打開狀態，對應區域不能密封。對比變形前、后車門的接觸狀態可知，橡膠外側密封唇的接觸均為黏結狀態，密封性能良好;內側的接觸狀態以滑移狀態為主，比外側密封性能稍差。

未變形車門頂端和工況1車門頂端的接觸壓力云圖分別見圖11和12。由此可知，當門板上存在3mm由外向內的變形時，在存在缺陷的位置局部接觸壓力較高，導致缺陷附近的接觸壓力連續性變差，相應的密封可靠性降低。

2.2 工況2構型分析

取車門結構靠近外沿構造凹坑，按照線性變化的方式將其節點位移由外向內從0增大到2mm，見圖13。最終工況2車門局部凹坑編號分布見圖14。

2.2.1 工況2整體模型分析結果

未變形車門與工況2車門的等效應力云圖對比見圖15。工況2車門局部應力明顯提高。

2.2.2 工況2橡膠密封性能分析

車門上凹坑編號l處無凹坑和有2mm凹坑時橡膠的接觸狀態分別見圖16和17。當車門上存在2mm凹坑時，接觸狀態會在凹坑附近發生變化，其中外側密封唇邊緣的接觸出現不連續的打開狀態，且在缺陷處滑移區域增多、黏結區域減少，相應的密封可靠性降低。

車門上凹坑編號1處無凹坑和有2mm凹坑時橡膠的接觸壓力云圖分別見圖18和19。編號1處局部出現較大的接觸壓力，導致橡膠上的接觸壓力在凹坑附近出現不連續現象，相應的密封可靠性降低。

2.3 其余工況構型分析

工況3和工況4的分析同第2.1節，為節省篇幅，此處不再贅述，只列出最終結論。

2.3.1 工況3分析結果

當車門頂端存在由內向外5mm的不平整缺陷時，內側密封唇的接觸狀態為黏結狀態，相應的密封性良好;外側密封唇的接觸為滑移狀態，密封性相比內側稍差一些。另外，加強半圓處出現接觸打開現象，相應區域密封性變差。

當車門頂端存在由內向外5mm的變形時，局部軟橡膠產生較大的接觸壓力，加強半圓上的接觸壓力水平很低，從而使得整個接觸面上的應力連續性變差，相應的密封可靠性降低。

2.3.2 工況4分析結果

當車門局部存在由內向外2mm凹坑時，接觸狀態會在凹坑附近發生變化，其中在中間加強圓處車門與橡膠分離，接觸的連續性降低，相應的密封性能變差。

當車門局部存在由內向外2mm凹坑時，凹坑附近應力的變化極不連續，既存在局部接觸壓力為0的區域，也存在接觸壓力集中的區域，使得凹坑附近的密封可靠性降低。

3 結論

為研究車門不平整度對車輛密封性能的影響，基于國產自主CAE軟件HAJIF，建立一種考慮結構不平整度的車門密封結構建模分析方法。研究結果表明：

（1）采用實體單元、殼單元和梁單元對車門的“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”密封結構進行分段建模，該方法高效可靠。

（2）在密封結構中，軟、硬橡膠采用Mooney-Rivlin模型，超彈性材料常數取自試驗數據，這種材料本構的模擬方法合理。

（3）車門頂端變形、車門局部凹坑這2類不平整度都會對車門結構的密封性能產生明顯影響，在某些狀態下導致結構密封失效，在密封結構設計中要加以重視。

本文算例的研究對象是車門的“鋼條-硬橡膠-軟橡膠”密封結構，但研究方法適用性廣，可以擴展到其他超彈性材料的密封結構研究中，有較好的應用前景。