马天兵，周 青，蒋明明，谢有浩

(1.安徽理工大学机械工程学院,安徽 淮南 232001;2.安徽猎豹汽车有限公司，安徽 滁州 239000)

福特公司的一份测试报告显示，车门密封条压缩阻力占整体车门关闭能量的30%～50%[1]。在车门关闭过程中，当密封条相对门框逼近时受到挤压发生变形，变形过程中产生压缩反力，是阻碍车门关闭的主要因素。密封条安装到车门上，在车门关闭的情况下会承受一定的压缩负荷。密封条材料的非线性、压缩后的结构形状以及压缩负荷在密封条内部产生的应力等因素对密封条的隔声性能都有一定的影响[2]。李欢[3]借助非线性有限元Msc.Marc软件研究了汽车车门密封条起皱分析及优化。确定原设计存在装配困难的问题，并提出了相应的简化方案。在模拟车身对密封条的压缩过程中，利用Marc有限元建模，将密封条模型可转化为二维平面应变问题。本文对车门密封条压缩力的研究，将有助于改善车门系统的性能，同时为改进密封条截面设计提供理论基础。

1 车门密封条压缩力分析

在车门关闭过程中，研究表明密封条压缩力的能量消耗最大，是车门启闭便捷性重要影响因素。故需要对密封条变形过程分析其压缩力的情况。

由实践经验及研究测试情况知，密封条压缩过程中受到不同部件的接触，主要有三种受力情况，其受力分析示意图如图1所示。

图1 密封条受力分析示意图

由图1知：密封条与车门钣金四周接触的大多数位置，主要受法向力F1；对于车门后部分，主要受挤压作用力F3，会促使密封条产生弯矩变化；在于车门平直上方，车门关闭过程中会受绕铰链转轴的旋转作用，此时密封条挤压变化时同时承受法向力F1与剪切力F2，两种力作用的结果促使密封条变形产生“摩擦翻搓”的效果。综合受力情况与实际测试，车门关闭过程中密封条受力变形最主要受到法向力F1作用。故本文有关车门密封条的压缩力计算中，主要研究的是车门钣金使密封条压缩变形的法向力。

2 密封条压缩力的仿真分析与试验

2.1 密封条橡胶材料特性研究

密封条是对汽车某些部件周围间隙进行密封的橡胶件。密封条材料具有一系列优异的性能，如最显著的物理特性是在较小应力作用下发生很大的变形。一般情况下，橡胶材料的应力应变的非线性特征明显， 其最大伸长量范围是500%～1 000%，故只有在小应变范围内，才能定义杨氏模量(曲线正切值表示)，而其值仅在1.0MPa数量级。所以，橡胶与一般坚硬固体之间存在较大的差别。

橡胶是典型的超弹性材料，在力的作用下会发生非线性弹性变形，其静态特性具有情况如下：(a)相对较低的伸长模量与剪切模量；(b)相对较高的伸长率，通常能在拉伸至500%情况下不会发生永久变形；(c)类比于小变形的金属，表现出高度的非线性特性，且不满足胡克定律关系。

本文对密封胶条压缩力的求解，采用商业非线性仿真计算分析软件Marc，该软件表示橡胶材料力学性能一般使用应变能密度函数的形式。当运用这些软件进行仿真与计算时，需要输入橡胶材料相应地力学性能常数，即应变能密度函数参数。由文献[2]知，软件中提供的Foam模型是反映密封胶条材料力学性能最适合的本构模型， 该模型适用于变形大的、高度非线性的弹性材料，同样可用于可压缩的橡胶材料，能够准确反映橡胶的材料特性。因此，本文选用该模型进行后续的仿真计算，该模型表达式见式(1)。

(1)

式中：λ1，λ2，λ3为主伸长比；αi，ui为与温度相关的材料常数；βi为依赖于温度的材料常数；αi，uiβi其值根据海绵橡胶材料的单轴拉伸、平面剪切及体积试验数据确定；J为弹性体积比，J=λ1λ2λ3[4]。

2.2 Marc软件非线性仿真分析求解过程

密封条作为一种橡胶件，属于超弹性材料，压缩过程表现出高度的非线性行为，在拉伸、剪切和压缩载荷作用下的力学特性是弹性、粘性、Mullins效应共同作用的结果[5]。本节用Marc软件对密封条压缩过程进行有限元分析研究，以测得车门密封条的压缩力。首先，从CAD数据得到密封条仿真分析的几何模型；然后，将几何模型导入Marc软件中生成密封条未变形时的二维有限元模型图，即密封条断面几何模型，如图2所示。

图2 密封条断面几何模型

整个仿真过程分成两个步骤，其一是模拟车门对密封条的装配过程，其二是模拟车身对密封条的压缩过程[6]，考虑密封条的实际几何尺寸情况，由于在长度方向的尺寸远大于其他方向的几何尺寸，可假定密封条所受外界载荷是平行于结构的横截面，同时在长度方向上均匀分布；因此，密封条模型可转化为二维平面应变问题。根据Marc软件的有限元程序，建立好基于固定位移及选定粘着——滑动摩擦模型的边界条件。有限元仿真分析选用四边形单元，同时为了保证在密封条厚度方向与表面接触区域能够进行足够的网格细分，单元尺寸一般选0.3～0.7mm，取0.4mm。Marc有限元建模的参数见表1，分析结果如图3所示。

表1 有限元建模参数定义

图3 有限元分析结果图

从图3可以看出，在模拟车身对密封条的压缩过程时，车门关闭过程中会受绕铰链转轴的旋转作用挤压密封条，此时密封条发生明显的形变位移，有限元分析结果图中红色区域在压缩变形过程中产生明显的应力集中，而其他区域基本上没有红色区域，压缩负荷较小。

2.3 密封胶条压缩负荷实验

进行密封条压缩实验前，需控制好室内的实验环境。密封条压缩负荷实验的测试件与装置，如图4所示。

图4 密封条压缩负荷实验装置

实验装置安装有位移和力传感器，其压缩行程与速度由计算机控制。车门钣金工装水平安装于工作平台上，其上安装密封条样件。同时，车门钣金工装水平安装于材料试验机上工作平台。实验过程中，车门钣金工装以设定的速度竖直向下压缩密封条。由计算机读取压缩力数据，并绘制出压缩负荷特性曲线，如图5所示。

压缩量/mm图5 实验压缩负荷特性曲线

可以看出，压缩反作用力随着密封条压缩量的增大而增大，呈非线性变化，密封条在压缩过程中与侧围钣金相互接触，压缩量过大，会导致压缩负荷增加；压缩量过小则会降低车门的密封性。

2.4 仿真与实验结果对比分析

密封条压缩负荷曲线的仿真结果与实验所得数据对比曲线如图6所示。由分析结果可知，两者误差很小，且误差均在6%以内。考虑到工程实际应用情况，如密封条上排气孔因素，导致试验数据与仿真结果存在一定误差。

图6 实验与仿真结果对比图

由图6可以得知，实验曲线与仿真分析曲线基本重合，误差很小，因此可以用Marc软件仿真结果为基准。

3 结论

车门密封条是车辆密封系统中重要的密封件，密封条的压缩负荷实验对提高车辆密封性及改善关门效果具有重要意义。

鉴于密封条属于超弹性材料，压缩过程表现出高度的非线性行为。故本文通过Marc软件求解了密封胶条的压缩力，同时根据实际产品对车门密封条进行压缩负荷实验。最终，将密封条断面进行仿真求得的压缩力与实验测试结果进行对比，得到密封条压缩负荷曲线对比图，验证了仿真分析与实验结果的一致性。结果表明，在实际的复杂应用中，使用Marc软件仿真求解密封条压缩过程中压缩力的结果是非常有效的，同时为改进密封条截面设计提供理论基础。