汽車(chē)門(mén)框密封條壓縮的仿真分析

鄭明貴，王春偉，操 芹，董 穎，江想蓮，楊 飄，張景煌

（東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

汽車(chē)門(mén)框密封條性能對(duì)整車(chē)駕乘舒適性有重要的影響[1-2]。汽車(chē)門(mén)框密封條能防止雨水進(jìn)入車(chē)艙，降低外界傳入車(chē)艙的噪聲（尤其是高速風(fēng)噪聲），給駕乘者提供干燥、安靜和舒適的環(huán)境，同時(shí)車(chē)門(mén)密封條提供合適的關(guān)門(mén)力，提升關(guān)門(mén)手感和聲音品質(zhì)[3-6]。因此，在整車(chē)開(kāi)發(fā)中有必要對(duì)汽車(chē)門(mén)框密封條進(jìn)行分析研究，以預(yù)測(cè)、改進(jìn)其性能，從而提高整車(chē)的駕乘舒適性。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)汽車(chē)門(mén)框密封條進(jìn)行了大量研究。福特汽車(chē)公司的A.W.DAVID等[7]通過(guò)非線性有限元方法對(duì)車(chē)門(mén)密封條進(jìn)行了關(guān)門(mén)壓縮和高速失效仿真分析，得出汽車(chē)關(guān)門(mén)力的35%～50%用于克服車(chē)門(mén)密封條變形產(chǎn)生的阻力，汽車(chē)高速行駛時(shí)車(chē)艙內(nèi)外壓力差會(huì)造成車(chē)門(mén)密封條過(guò)度壓縮而與車(chē)身鈑金接觸面分離，從而產(chǎn)生高速失效。M.KENA等[8]研究了車(chē)門(mén)密封條對(duì)汽車(chē)關(guān)門(mén)效果的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整車(chē)門(mén)不同位置的密封間隙能有效改善關(guān)門(mén)品質(zhì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)汽車(chē)門(mén)框密封條的性能進(jìn)行了大量研究，如運(yùn)用有限元三維仿真軟件對(duì)汽車(chē)門(mén)框密封條彎曲失效進(jìn)行分析研究[9]。王海軍等[10]采用有限元分析與試驗(yàn)對(duì)照的方法研究了多種車(chē)門(mén)密封條斷面在壓縮過(guò)程中的壓縮變形和壓縮力。張杰[11]在汽車(chē)尾門(mén)密封設(shè)計(jì)中運(yùn)用Marc軟件對(duì)尾門(mén)密封條進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，使其壓縮負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本工作針對(duì)汽車(chē)門(mén)框密封條正向壓縮，考慮門(mén)框密封條在變形過(guò)程中鉗口卡爪變形及其泡管內(nèi)外包覆層的影響，建立了3種有限元模型，采用非線性有限元分析軟件Abaqus對(duì)門(mén)框密封條的壓縮變形和壓縮力進(jìn)行了仿真分析，并將仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證仿真分析的有效性和甄別壓縮力的影響因素。

1 汽車(chē)門(mén)框密封條正向壓縮試驗(yàn)

根據(jù)QCT 710—2004《汽車(chē)門(mén)框密封條壓縮負(fù)荷試驗(yàn)方法》對(duì)汽車(chē)門(mén)框密封條進(jìn)行正向壓縮試驗(yàn)。從密封條成品上截取長(zhǎng)度為100 mm的樣件，其按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理后，在壓縮負(fù)荷檢驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行正向壓縮試驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。試驗(yàn)加載速度為0.5 mm·s-1，近似準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程進(jìn)行加載，試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試精度為0.01 N。

圖1 汽車(chē)門(mén)框密封條正向壓縮試驗(yàn)Fig.1 Forward compression test for automobile doorframe sealing strip

2 汽車(chē)門(mén)框密封條模型

2.1 斷面模型

汽車(chē)門(mén)框密封條的軸向尺寸遠(yuǎn)大于斷面尺寸，且在正向壓縮時(shí)沿軸向所受的面力和體力的大小和方向均不變，變形也主要發(fā)生在垂直于軸向的平面內(nèi)，沿軸向的變形量很小。因此可將門(mén)框密封條正向壓縮模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變二維模型，以減小計(jì)算量。

門(mén)框密封條的材料組成為海綿膠、密實(shí)膠和金屬骨架（見(jiàn)圖2）。上部泡管材料主要是海綿膠，具有可壓縮性；下部鉗口材料主要是密實(shí)膠，其為超彈性不可壓縮材料；中間金屬骨架為鋼材。由于密實(shí)膠為超彈性材料，鋼為一般彈塑性材料，因此建立模型時(shí)海綿膠和密實(shí)膠部分采用平面應(yīng)變雜交單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，金屬骨架部分采用平面應(yīng)變單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

根據(jù)門(mén)框密封條斷面材料建立3種仿真模型（見(jiàn)圖2）：普通模型、插入-壓縮模型和包覆層模型，各模型網(wǎng)格平均尺寸均為0.2 mm，而泡管材料和邊界條件有區(qū)別。普通模型將泡管材料全部設(shè)為海綿膠，邊界條件設(shè)為鋼骨架全約束和位移加載。插入-壓縮模型的上述條件與普通模型一致，但考慮壓縮過(guò)程中鉗口卡爪變形的影響，其分析過(guò)程分2步進(jìn)行：第1步約束斷面左側(cè)，將支撐板件插入門(mén)框密封條鉗口；第2步釋放約束，進(jìn)行壓縮分析。包覆層模型考慮了門(mén)框密封條泡管內(nèi)外表面包覆層的作用。門(mén)框密封條泡管在生產(chǎn)過(guò)程中由于熱融化和涂層的作用會(huì)在內(nèi)外表面形成厚度約為10 μm[12]的包覆層（材料視為密實(shí)膠），對(duì)門(mén)框密封條壓縮力有一定的影響。3種模型的門(mén)框鈑金均定義為解釋剛體，插入-壓縮模型的插入塊也定義為解釋剛體。

圖2 門(mén)框密封條斷面的3種仿真模型Fig.2 Three simulation models of doorframe sealing strip cross section

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

門(mén)框密封條泡管的可壓縮海綿膠采用R.W.OGDEN[13]提出的基于應(yīng)變能密度函數(shù)表征的Hyperfoam材料本構(gòu)模型來(lái)描述，其本構(gòu)方程如下：

表1 EPDM海綿膠的Hyperfoam材料本構(gòu)模型參數(shù)Tab.1 Hyperfoam material constitutive model parameters of EPDM sponge compound

鉗口密實(shí)膠為超彈性不可壓縮材料，采用R.W.OGDEN[14]提出的基于應(yīng)變能密度函數(shù)表征的Hyperelastic材料本構(gòu)模型描述其在壓縮變形中的力學(xué)行為，其本構(gòu)方程如下：

本工作EPDM密實(shí)膠的Hyperelastic材料本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示。

表2 EPDM密實(shí)膠的Hyperelastic材料本構(gòu)模型參數(shù)Tab.2 Hyperfoam material constitutive model parameters of EPDM dense compound

2.3 摩擦模型

在車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中和關(guān)閉狀態(tài)下，門(mén)框密封條與門(mén)框鈑金之間、門(mén)框密封條自身不同面之間會(huì)相互接觸，產(chǎn)生摩擦作用。摩擦作用對(duì)門(mén)框密封條的壓縮變形和壓縮力都有影響，因此需要建立合理的摩擦模型，以精確模擬壓縮中的接觸摩擦作用。摩擦模型有庫(kù)侖摩擦模型、剪切摩擦模型和粘性摩擦模型，本工作采用修正的庫(kù)侖摩擦模型，其方程[15]如下（上式在粘結(jié)區(qū)使用，下式在滑動(dòng)區(qū)使用）：

式中：τf為摩擦力；τmax為最大靜摩擦力；γ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)，為0.5；σn為正壓力。

3 汽車(chē)門(mén)框密封條仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可驗(yàn)證仿真分析的有效性，識(shí)別出對(duì)分析結(jié)果影響較大的因素，提升仿真分析精度。

3.1 斷面變形對(duì)比

車(chē)門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下，門(mén)框密封條與鈑金之間存在欠壓（壓縮量為2 mm）、正壓（壓縮量為4 mm）和過(guò)壓（壓縮量為6 mm）3種狀態(tài)，門(mén)框密封條的斷面變形如圖3所示。從圖3可以看出：在欠壓和正壓狀態(tài)下，仿真和試驗(yàn)門(mén)框密封條與門(mén)框鈑金之間均只有1個(gè)接觸區(qū)域；在過(guò)壓狀態(tài)下，仿真和試驗(yàn)門(mén)框密封條與門(mén)框鈑金接觸界面的中間部位出現(xiàn)輕微的分離現(xiàn)象，變成2個(gè)接觸區(qū)，這是由于在過(guò)壓狀態(tài)下泡管中間部分塌陷所致。3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的斷面變形基本吻合，門(mén)框密封條與門(mén)框鈑金的接觸區(qū)域和接觸寬度也基本一致。仿真分析對(duì)門(mén)框密封條的正向壓縮變形模擬具有較好的預(yù)測(cè)性。

圖3 3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的斷面變形對(duì)比Fig.3 Comparison of cross section deformations of simulation and test doorframe sealing strips under three compressions states

3.2 壓縮力對(duì)比

仿真與試驗(yàn)汽車(chē)門(mén)框密封條的壓縮力-壓縮量曲線如圖4所示。初始接觸階段由于接觸不穩(wěn)定，仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的壓縮力-壓縮量曲線變化趨勢(shì)差異較大，進(jìn)入穩(wěn)定壓縮狀態(tài)之后，仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的曲線變化趨勢(shì)基本一致。

從圖4可以看出：與試驗(yàn)的壓縮力-壓縮量曲線相比，普通模型門(mén)框密封條的壓縮力-壓縮量曲線相差最大，其次為插入-壓縮模型門(mén)框密封條，最接近的是包覆層模型門(mén)框密封條；從普通模型與插入-壓縮模型門(mén)框密封條的壓縮力-壓縮量曲線對(duì)比可知，在壓縮過(guò)程中鉗口卡爪的變形對(duì)壓縮力有一定的影響，但影響相對(duì)較小，這表明門(mén)框密封條的壓縮力主要來(lái)自泡管部分的壓縮變形；從包覆層模型與普通模型門(mén)框密封條的壓縮力-壓縮量曲線對(duì)比可知，泡管內(nèi)外表面包覆層的作用使壓縮力明顯增大，這是由于包覆層材料為密實(shí)膠，具有不可壓縮性，產(chǎn)生了較大的反力所致。綜上可知，包覆層模型具有較高的分析精度。

圖4 仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的壓縮力-壓縮量曲線Fig.4 Compression force-compression amount curves of simulation and test doorframe sealing strips

在3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的壓縮力如圖5所示，仿真門(mén)框密封條的壓縮力誤差如圖6所示。其中，壓縮力誤差（ω）定義如下：

圖5 3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的壓縮力Fig.5 Compression forces of simulation and test doorframe sealing strips under three compression states

圖6 3種壓縮狀態(tài)下仿真門(mén)框密封條的壓縮力誤差Fig.6 Compression force errors of simulation doorframe sealing strips under three compression states

式中，fs為仿真門(mén)框密封條的壓縮力，fe為試驗(yàn)門(mén)框密封條的壓縮力。

從圖5可以看出，3種壓縮狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)門(mén)框密封條的壓縮力變化趨勢(shì)基本一致，包覆層模型門(mén)框密封條的壓縮力變化趨勢(shì)幾乎與試驗(yàn)門(mén)框密封條相同，且壓縮力最接近試驗(yàn)門(mén)框密封條。

從圖6可以看出：普通模型門(mén)框密封條的壓縮力誤差最大，在欠壓狀態(tài)下達(dá)到25.46%，在正壓和過(guò)壓狀態(tài)下普通模型門(mén)框密封條的壓縮量增大，壓縮力也增大，壓縮力絕對(duì)誤差變化較小，誤差減小；插入-壓縮模型門(mén)框密封條的壓縮力誤差較普通模型門(mén)框密封條略小，表明壓縮過(guò)程中鉗口卡爪變形對(duì)壓縮力有一定的影響，但影響較小，門(mén)框密封條的壓縮力主要由泡管變形產(chǎn)生；包覆層模型門(mén)框密封條的壓縮力誤差最小，在欠壓狀態(tài)下為4.16%，在正壓和過(guò)壓狀態(tài)下包覆層模型門(mén)框密封條的壓縮量增大，壓縮量的增大，誤差減小。

圖5和6的結(jié)果進(jìn)一步表明門(mén)框密封條仿真模型建立時(shí)考慮泡管包覆層材料與內(nèi)部材料的差異是必要的，對(duì)仿真分析精度有較大的提升。

3種仿真模型門(mén)框密封條泡管正壓狀態(tài)下Mises應(yīng)力分布如圖7所示。普通模型和插入-壓縮模型門(mén)框密封條泡管最大Mises應(yīng)力及其分布基本一致，與包覆層模型門(mén)框密封條有較大區(qū)別。包覆層模型門(mén)框密封條泡管的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在右上部彎曲處的包覆層上，整個(gè)泡管內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)于包覆層應(yīng)力小很多，這表明壓縮過(guò)程中泡管包覆層的不可壓縮性使其變形相對(duì)于內(nèi)部材料更為困難，從而使壓縮力增大。

圖7 3種仿真模型門(mén)框密封條泡管正壓狀態(tài)下Mises應(yīng)力分布Fig.7 Mises stress distributions of three simulation model doorframe sealing strip bubble tubes under forward pressure

綜上可知，運(yùn)用非線性有限元方法對(duì)門(mén)框密封條正向壓縮進(jìn)行仿真分析，具有較好的預(yù)測(cè)作用。

4 結(jié)論

（1）汽車(chē)門(mén)框密封條正向壓縮非線性有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，非線性有限元方法對(duì)門(mén)框密封條的正向壓縮分析具有較好的預(yù)測(cè)作用。

（2）汽車(chē)門(mén)框密封條壓縮力主要來(lái)自泡管的變形，鉗口卡爪的變形對(duì)壓縮力有一定的影響，但影響較小；泡管內(nèi)外表面密實(shí)膠包覆層的作用使壓縮力顯著增大。

（3）對(duì)汽車(chē)門(mén)框密封條正向壓縮進(jìn)行仿真建模，可以忽略泡管以下部分的影響，以減小仿真分析的計(jì)算量，但應(yīng)將泡管包覆層考慮在內(nèi)，以提高仿真分析精度，更精確指導(dǎo)門(mén)框密封條的開(kāi)發(fā)。