乘用車尾門密封條的壓縮仿真分析

王春偉，鄭明貴，操 芹，張景煌，王若滿，胡 晉

（東風汽車集團有限公司技術中心 架構開發中心，湖北 武漢 430058）

尾門密封條作為汽車密封系統中重要的密封部件，不僅可以將車身的室內與室外隔離，起到防風、防塵、隔聲和隔熱的作用，而且還可以減少尾門在關閉過程中受到的沖擊以及在汽車行駛過程中受到的振動[1]。

國內外通常使用Abaqus等有限元分析軟件對汽車密封條的結構進行優化設計，且已取得一些成果[2]。D.A.WAGNER等[3]采 用Abaqus有限 元分析軟件對影響汽車密封性能的因素進行分析，獲得了密封條的受力變形曲線。馮海星等[4]發現壓縮負荷在密封條內部產生的應力等因素對密封條的隔聲性能有一定的影響。張軍等[5]基于緩沖橡膠塊的試驗數據，選用Mooney-Rivlin本構模型，并結合有限元仿真技術和優化算法的反求方法來確定橡膠材料參數，結果表明通過該方法確定的材料參數能較準確地描述緩沖橡膠塊的材料特性。

本工作先對乘用車尾門密封條的橡膠材料進行力學性能試驗以確定其本構模型，再采用Abaqus有限元分析軟件對尾門密封條的壓縮過程進行仿真分析，展示了有限元仿真分析可輔助尾門密封條的結構設計及優化。

1 橡膠材料的力學性能試驗及本構模型

1.1 力學性能試驗

橡膠材料的非線性對尾門密封條的結構穩定性存在一定的影響[6]，因此本工作對三元乙丙橡膠密實膠和海綿膠的力學性能進行試驗[7-8]。

為使擬合結果精度更高、準確性更好，本工作對密實膠進行了多軸拉伸試驗[9]，并通過傳感器反饋應變大小。密實膠的多軸拉伸試驗裝置如圖1所示。

1.2 本構模型

金屬材料通過幾個參數即可反映其力學性能，但對于橡膠材料，其力學性能較為復雜，需要通過非線性的本構關系進行描述。橡膠材料的體積近似不可壓縮，其應力-應變關系屬于非線性關系，不能通過彈性模量（E）、泊松比（v）及密度（ρ）等表示，而是通過應變能密度函數表示[10]。

1.2.1 密實膠

密實膠是一種大變形、高度不可壓縮的非線性超彈性材料。Abaqus有限元分析軟件提供了多種非線性超彈性材料的應變能密度函數形式[11-12]，其中常用的為Arruda-Boyce，Mooney-Rivlin，Neo-Hooken，Yeoh，Ogden和Van der Waal本構模型。這6種應變能密度函數的變量參數可以通過非線性超彈性材料的單軸拉伸、純剪切、多軸拉伸的試驗數據來確定。

本工作先對密實膠的多組單軸拉伸試驗數據進行最小二乘法擬合，以獲得密實膠的試驗應力-應變曲線。

其次，通過對比不同應變能密度函數與試驗應力-應變曲線間的差異（見圖2），選取密實膠的本構模型（見圖2）。從圖2可以看出，密實膠的Ogden本構模型（N＝3）及Van der Waal本構模型與試驗應力-應變曲線間的差異較小。

最后，對比試驗應力-應變曲線與Ogden本構模型（N＝3）和Van der Waal本構模型曲線對應數據的均方根誤差大小，分別為3.20%和18.34%，最終選取Ogden本構模型（N＝3）作為密實膠的本構模型。

1.2.2 海綿膠

海綿膠是一種大變形、高度可壓縮的非線性彈性材料，其變形主要包含材料自身的變形和發泡孔隙的變形。在Abaqus有限元分析軟件中，HyperFoam本構模型是反映海綿膠力學性能最合適的應變能密度函數[1]。

式中：U為單位體積的應變能；μi，αi和βi均為與溫度有關的材料常數，由單軸拉伸、單軸壓縮、簡單剪切、體積壓縮的試驗數據來確定；λ1，λ2和λ3為主伸長比。

2 尾門密封條的壓縮試驗過程及壓縮仿真

2.1 壓縮試驗過程

壓縮試驗裝置如圖3所示。試驗前，需對室內環境、傳感器及計算機的控制程序等進行檢查，校正下方彈簧的一致性，避免試驗過程中因偶然因素導致的客觀誤差。

尾門密封條的壓縮試驗裝置安裝有多個力及位移傳感器，其壓縮過程及速率等均由計算機程序控制。模擬尾門內板的上工裝安裝在工作臺上，以保證壓縮的水平與準確；模擬尾門密封條的下工裝固定在側圍止口上。在壓縮試驗過程中，上工裝以1 mm·s-1的速率沿垂直方向進行加載，以模擬尾門在關閉過程中的運動狀態，此次加載可認定為準靜態過程。

2.2 壓縮仿真

為準確地對尾門密封條壓縮過程進行有限元分析，參照壓縮試驗及真實變形設置其仿真分析的網格大小及屬性、接觸、邊界及負荷等，如圖4所示。

結合相關資料與文獻[13]，對于壓縮變形工況，尾門密封條的長度方向尺寸較截面尺寸大很多，尾門密封條主要沿垂直方向受壓縮力作用，在另外的方向受摩擦力作用，其長度方向的受力是一致的，受到的重力也是相同的。故尾門密封條的仿真分析可簡化為二維仿真問題，這樣不僅減小了網格數量，也縮短了計算時長，從而提升更新迭代的效率。

當與尾門接觸時，尾門密封條的壓縮負荷與變形均在尾門運動過程中產生，一般通過施加位移負荷來實現。

3 結果與討論

3.1 仿真云圖分析

在尾門密封條的仿真壓縮過程中，其應力云圖如圖5所示。從圖5可以看出：在尾門對尾門密封條的壓縮過程中，尾門密封條逐漸產生壓縮變形，海綿膠泡管位置產生滑移，尾門密封條明顯處于應力分布不均勻的狀態；當尾門與尾門密封條的表面相互作用產生壓縮力時，泡管與尾門的接觸面積逐漸增大，應力主要集中于泡管，而泡管變形較大的區域，其應力明顯較大且集中；在密實膠的區域，基本無應力產生，而金屬骨架則承受較大的應力。

在尾門密封條的仿真壓縮過程中，其應變云圖如圖6所示。從圖6可以看出，在尾門對尾門密封條的壓縮過程中，尾門密封條的海綿膠泡管位置發生明顯的壓縮變形，應變主要集中于2個區域：第1個區域為靠近與密實膠接觸的海綿膠部位，其原因是海綿膠屬于高度非線性彈性材料，密實膠屬于非線性超彈性材料，在同等作用的條件下，海綿膠的壓縮量明顯大于密實膠的壓縮量；第2個區域為泡管變形較大的部位，該區域主要發生彈性變形，其壓縮量較大，故此位置有較大的應變。

此外，當尾門密封條的壓縮量超出一定范圍后，海綿膠泡管發生一定程度的反凹，尾門與尾門密封條的接觸面積也發生一定的變化。

根據能量守恒原理，在尾門密封條壓縮過程中，壓縮力所作的功等于尾門密封條變形時的動能、熱能和應變能3部分之和。在本工作尾門密封條的壓縮過程中，主要施加的是位移負荷，且加載速度變化緩慢，此時可不計動能并忽略熱能，故可認為壓縮力所作的功等于尾門密封條變形時的應變能。

在尾門密封條的仿真壓縮過程中，其應變能云圖如圖7所示。從圖5—7可以看出，應變能較大的位置與應力和應變最大的位置基本一致，說明壓縮力所作的功主要導致海綿膠泡管變形，對于其他區域的影響并不大。

3.2 壓縮力分析

尾門密封條的仿真與試驗壓縮力-壓縮量曲線對比如圖8所示。

從圖8可以看出：在壓縮量不超過理論設計值（即6.5 mm）[1]時，仿真與試驗壓縮力-壓縮量曲線變化趨勢基本一致，仿真曲線擬合性較好；在壓縮量超過理論設計值時，仿真與試驗曲線的壓縮力差異略有增大，分析其原因為在尾門密封條處于過壓狀態時，尾門密封條的接觸位置逐漸產生反凹，接觸面積逐漸減小，導致壓縮力增大較快。

尾門密封條的試驗壓縮力誤差曲線如圖9所示。壓縮力誤差（ε）的計算公式為ε=（Fe－Fs）/Fs，式中Fe為試驗壓縮力，Fs為仿真壓縮力。

從圖9可以看出：在壓縮量不超過理論設計值時，隨著壓縮量的增大，試驗壓縮力誤差逐漸減小，仿真與試驗結果擬合越來越好；在壓縮量超過理論設計值時，隨著壓縮量的增大，試驗壓縮力誤差逐漸增大，最后趨于穩定。

尾門密封條3次試驗壓縮力誤差均不超過13%，而平均誤差不超過10%。分析認為，在實際工況中尾門密封條海綿膠上有排氣孔等因素的影響，因此導致其仿真與試驗結果有一定差異。

4 結論

通過對尾門密封條海綿膠和密實膠的力學性能試驗，確定了兩種材料的本構模型，結合具體試驗過程，對尾門密封條的壓縮過程進行仿真分析。

（1）對仿真云圖分析得出，尾門密封條的海綿膠泡管應力、應變和應變能均較大，海綿膠與密實膠接觸部位有較大的應變及應變能。

（2）對比仿真與試驗結果發現，在壓縮量不超過理論設計值時，尾門密封條的仿真與試驗結果擬合較好，試驗壓縮力誤差較小；在壓縮量超過理論設計值時，試驗壓縮力誤差逐漸加大，最后趨于穩定。但尾門密封條的試驗壓縮力平均誤差不超過10%，即仿真與試驗結果一致性好。

（3）尾門密封條的后期設計時可以根據應力、應變和應變能云圖對其結構進行適當改進，以減少應力和應變集中，并應用仿真分析對結構進行驗證，以保證尾門密封條的使用性能。