基于MARC外水切壓縮負荷優化

趙勝東　董永衡　肖河容

摘 要：本文介紹了外水切CAE模型分析外水切壓縮負荷的方法。壓縮壓縮負荷是外水切的一個重要參數，壓縮負荷的設計不合理，會直接影響玻璃的升降和刮水性能。利用MARC可以對外水切截面進行有限元分析，在設計前期可以指導工程師進行截面優化，得到合理的壓縮負荷。

關鍵詞：外水切 壓縮負荷 MARC軟件分析

1 引言

隨著汽車的發展，人們對于汽車的舒適性和安全性要求越來超高，側門玻璃升降系統作為日常使用頻率較高的零部件，消費者對升降系統的感觀感覺也較為敏感。外水切要兼顧系統的外觀和刮水密封功能，因此水切的設計顯得更為重要。若外水切的壓縮負荷設計過低，將會導致玻璃刮水不干凈，駕駛員視野變得模糊，影響安全性;壓縮負荷過高，則容易引起玻璃升降異響，影響駕駛的舒適性。所以，在前期開發中首先要對外水切截面進行壓縮負荷分析，選擇合適的壓縮負荷值和變形特性，從而提升升降系統的升降穩定性和刮水性。

2 外水切受力模型

如圖1，外水切卡裝在車門外板上，本文只研究唇邊的壓縮負荷，因此可認為外水切骨架部位嵌入部分和車門外板同屬于剛體，固定不動且不受外力（箭頭左側），所以外水切的壓縮負荷就等于玻璃Y向的壓力總和

玻璃受到的外水切的摩擦力

μ為外水切絨毛和玻璃的摩擦系數，取決于材料特性，為固定值，一般為0.18-2.0。因此在分析外水切的受力時，可以轉換為對外水切壓縮負荷的研究。要降低玻璃受到外水切摩擦力時，只需要將外水切壓縮負荷控制在合理的范圍即可。

3 MARC幾何模型建立

根據圖1外水切受力模型，簡化后得到圖2的外水切幾何模型，由于不同部位的接觸關系不同，因此在劃分六邊形網格時需要先對截面進行區域劃分。幾何模型及區域劃分見圖2;接觸關系見表1。

由于唇邊在玻璃下降過程中始終與玻璃接觸，并且往下運動無法模擬出從分離到接觸的變形過程。因此，可以通過模擬玻璃上升過程，來分析外水切唇邊的形變過程以及應力分布和CLD大小。

基于橡膠材料模型的下列假設：①橡膠是不可壓縮的且在變形前各向同性的;②簡單剪切包括先受簡單拉伸再在平面截面上疊加簡單剪切，服從虎克定律，其力學表達式為[1]：

式中W為廣義Mooney-Rivlin三次式的應變能，C10，C01，為材料常數，I1和I2為橡膠材料的第一和第二應變不變量，可由試驗獲取。

此時，C10和C01可通過單軸拉伸試驗由下式確定：

其中，P為作用力，A0為試樣截面積，為材料伸長率。

根據外水切產品開發的經驗，C10，C01通常可取=C10=1.12、C01=0.29。

4 仿真模擬結果

4.1 原始方案

通過MARC仿真模擬[2]，得出原始截面的等效米塞斯應力為14.7N/100mm，大于經驗值6.0±1.5N/100mm。從圖3可以看等效米塞斯應力主要分布在上唇邊的根部，由此判斷是唇邊根部的尺寸過大或者形狀角度設計不合理導致。因此，可通過優化兩道唇邊根部卸力槽深度，降低應力并相對均衡地分布在上下兩道唇邊上。

4.2 優化后方案

通過上述分析，對根部的結構進行了調整優化，將上下唇邊根部尺寸設計成相同的尺寸和角度，將原截面唇邊卸力槽尺寸由1.8mm優化為1.45mm，圖4所示。優化后，再次對截面進行仿真模擬，得到圖5優化后的等效米塞斯應力分布。比較圖3和圖5不難看出：優化后，上唇邊根部的等效米塞斯應力分布區域更寬，下唇邊根部同時也分擔了一部分的等效米塞斯應力。玻璃只接觸下唇邊時，CLD約為2N/100Mm，上下唇邊同時接觸時為5.9N/100Mm。比較接近理論設計的理論狀態，上下唇邊的CLD同為3N/100Mm。通過上述優化，實現了玻璃在運行過程中等效米塞斯應力的最大值也由14.7N/100mm降為5.9N/100mm。

5 結論

外水切唇邊的變形主要集中在根部，壓縮負荷受唇邊根部結構影響較大，為保證上下唇邊受力一致，建議上下唇邊根部位置設計成相同的尺寸，且根部卸力槽深度不應過淺。在項目前期開發外水切的截面設計過程中，可通過MARC仿真分析，能夠快速地幫助工程師識別出截面的設計缺陷，并提供明確的改進方向。

參考文獻：

[1]張寶生，蔣力培，周燦豐，陳嘉慶. 有限元分析軟件Marc及其在橡膠材料分析中的應用[J].橡膠工業，2003，（04）.

[2]梁清香主編.有限元與MARC實現[M]. 機械工業出版，2005.