基于Marc的车门密封胶条优化设计

谢贵山　韩启明

【摘 要】随着国内汽车工业的快速发展，消费者已经不仅仅满足于汽车的功能性要求，对乘坐舒适性也有了更高的标准。而车身密封胶条是影响乘坐舒适感的主要因素之一，它既起着防尘密封、隔振降噪、内外装饰的作用，也是引起车门关闭力过大的主要原因。密封胶条的设计水平体现了主机厂的技术研发能力，文章通过Marc软件分析车身侧密封胶条断面压缩变形和压缩力负荷曲线，根据压缩力峰值，优化胶条断面形状，从而减小胶条压缩力，最后通过关门速度实验，验证胶条满足设计要求。利用有限元分析软进行前期开发，极大地缩短了研发周期，减少了开发成本。

【关键词】Marc软件；密封胶条；压缩力；优化；关门速度

【中图分类号】U463.85 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）07-0022-04

0 引言

进入21世纪以来，中国的汽车工业得到了飞速发展，一方面，从2009年起，中国的汽车产量和销量一直居全球第一；另一方面，人们对汽车的乘坐舒适性有了越来越高的要求。然而，密封胶条作为车身的重要功能件与结构件，其性能的好坏直接影响到整个车身的使用性能与乘坐性能，因此越来越受到重视，许多汽车厂商已经开始认识到密封胶条设计的好坏直接关系到该产品在汽车市场的占有份额。

所以，针对密封胶条进行专项研究十分必要。密封条在轿车中对车身的防尘密封、隔振降噪及内外装饰发挥着不可替代的作用。由于密封胶条的几何非线性、材料非线性及接触非线性特征，所以其不同的材料类型、结构及装配工艺都会直接影响其功能性、可靠性和装饰性，最终对用户的驾乘体验造成直接影响。为了提高产品的开发效率和质量，同时保证密封胶条的功能性、可靠性及装饰性。过去试制、实验认证、再试制全凭经验的试错方法已经很难保证产品设计的质量和效率，未来也将被汽车工业所淘汰。随着计算机运行速度的提高、非线性材料力学和有限元思想理论的发展，使得工程师可以利用非线性有限元软件在产品开发前期对产品的结构进行全工况真仿优化，减少了不必要的时间与材料浪费。

本文利用非线性有限元分析软件，针对上汽通用五菱股份有限公司的某款开发车型的车门密封条，仿真分析了车门关闭过程中胶条的压缩负荷曲线和变形过程，根据设计经验发现压缩力数值过大，因此对密封胶条截面泡管厚度进行减薄，减小了胶条的压缩负荷，最后通过关门速度实验验证了车门关闭速度满足要求。

1 有限元分析模型的建立

1.1 材料的本构模型

橡胶是超弹性材料，在大几何变形的条件下，表现出很强的非线性特征，因此其材料本構模型的推导经历了很长的时间。

综合考虑材料参数获得的成本及仿真的精度，本文采用的本构模型为公式（4）中的模型。其中，密实橡胶和海绵橡胶分别采用不同的参数，由材料的单轴拉伸、双轴拉伸、体积应变试验曲线反求而来。

1.2 密封条几何模型

胶条截面采用平面应变模型，厚度是100 mm。门框表面假设刚性无限大、不存在变形。对于密封条的几何结构，三维截面数据和二维数据都来自UG。然后将几何截面的dwg格式导入Marc中，采用适当的方法进行有限元网格划分，将门框钣金线和车门钣金线定义为刚性体。本文的计算模型为公司某设计开发车辊压窗框Roof段的胶条截面，图1为密封条三维模型，分为上、下2个部分，中间用接角接起来，图2为密封条横截面几何模型，其中上方曲线为车身侧围板件，下方曲线为车门内板钣金，密封条左侧泡管右壁厚为1.81 mm。图3为截面有限元网格。网格分为2个部分，上方为海绵橡胶，下方为密实橡胶，车门关闭过程中，海绵橡胶起主要的压缩变形作用，同时也是引起车门关闭力过大的主要原因。

1.3 单元的选择

对于密封条的压缩变形，如果其长度足够长、截面相同，且受到的压缩力方向相同，即可以将变形方式近似为平面应变，胶条的压缩变形也可以近似为由多段二维仿真组成。在二维仿真分析中，单元的选取有三角形网格和四边形网格2种，三角形网格对于几何边界的贴近效果很好，但是其变形效果不如四边形，存在网格畸变，所以本文采用四边形单元。由于截面较小，网格尺寸可以适当减小，本文选择0.3 mm，这样可以提高仿真计算的精度。在二维分析中，采用Mooney-Riviin材料本构模型时，可以选用平面应变全积分Herrmann单元（MARC中单元类型80）。

1.4 边界和接触条件的建立

作为变形体的密封胶条和刚性体的钢板表面在数值模拟中不允许存在穿透现象，且为了保证仿真精度，做出如下假设。

第一，对于海绵胶泡管和与其接触的侧围刚性体区域，为了使法向接触应力大于表面剪应力，它们之间的摩擦力采用滑动摩擦。这个模型保证了海绵密封条和相对应的侧围区域的接触条件。因此，变形后的密封条截面的形状和密封条的内应力大小都极大地反映了实际情况。

第二，由于顶部密封胶条是黏接在车门窗框上的，所以对其底部密实橡胶单元的节点约束其X、Y方向的平动和Z方向的转动。

第三，由于胶条和侧位之间是相对运动的，为了简化模型，模型中侧围钣金以匀速压缩胶条。1s后完全压缩，也就是关门状态时的相对位置。

2 结果分析

将前处理完成后的模型提交Marc进行计算，设定总的计算时间为1s，侧围钣金向下匀速压缩12.78 mm，车门钣金向上匀速压缩6.09 mm，即车门关闭后的最终状态，计算过程分为50个增量步，软件运行后的结果包括图4模型云图（胶条变形后的形状）和图5（压缩力随时间的变化）。

在图4中，无网格空心部分为初始时刻未变形的密封胶条状态，有网格的为变形后的密封胶条状态，可以看出，胶条压缩后紧贴着车门和侧围钣金，起到了密封的作用，从图5可以看出，0.28 s时侧围钣金开始接触密封条，1s后密封条压缩完全，从模型云图中可以看出等效柯西应力为0.364 MPa，位于海绵胶与密实胶相邻处，通过软件，同样可以得出最大法向接触力为2.49 N，最大接触摩擦力为0.93 N。压缩力与压缩量（这里为匀速压缩）之间为非线性关系，压缩力随着压缩量的增加而增大，密封条完全压缩时为6.75 N，大于设计值6 N。根据设计经验，这将导致车门关闭力过大，所以必须对胶条截面进行优化设计。

3 结构优化

表1介绍了改善车门密封胶条压缩负荷性能常见的途径，随着序号的增加，优先程度依次降低。改进量的设置为推荐值，当改进量的值超出推荐值范围，改进效果反而会变差，而且有可能影响零件的其他功能。此外，金属骨架在胶条设计中属于比较浮躁的部分，一般不轻易更改。而通过调整海绵泡管的厚度则可行且效率较高。

所以，将胶条泡管右侧壁厚度减少0.3 mm，变为1.51 mm，减薄后的胶条几何截面如图6所示。

将新的胶条截面重新进行网格划分，赋上材料属性，施加约束条件，然后提交计算，结果如图7（新截面胶条变形后形状）和图8（新截面所示胶条压缩力随时间变化）。

从结果可知，由于胶条壁厚的减小，最大压缩力减小为5.9 N，减小了12%，效果明显，同时等效柯西应力增加为0.38 MPa，仅增加了4%，对胶条的使用性能影响很小，其他如最大法向接触力减小为2.03 N，接触摩擦力减小为0.75 N。

通过对比前后计算结果可知，通过减小胶条泡管的厚度，极大地减小了压缩力的大小，这将有利于车门关闭力的减少，同时优化后的最大应力满足设计要求。

4 实验验证

汽车车门关闭力过大一直备受消费者的诟病，同时也是各主机厂关注的难题，而车门密封条及其与车身的配合性是影响车门关闭力的主要因素之一。

我们在测量关门力的时候，是以车门能够进二级锁止的最小速度来评判车门关门力的大小，测试仪器及安装如图9所示。上汽通用五菱股份有限公司的标准是车门关闭速度不大于1.3 m/s。

為了验证优化结果的可靠性，对胶条断面优化后的车型进行了关门速度测试，同时为了保证数据的可靠，依次测量了4辆NS阶段某款开发车型的关闭速度（见表2）。

从实验数据可以看出，除了第3辆车的左后门车门关闭速度稍高于1.3 m/s，其他数据皆满足出厂要求，第2辆车的左后门为1.06 m/s，远低于行内标准。说明优化后的胶条满足设计要求。

5 结论及展望

从密封胶条的结构分析结果中，工程师可以获得很多实验难以测试的结果，比如柯西应力、法向接触力等，相比于实验手段更加方便，而且当密封胶条与钣金的相对关系给定时，有限元分析能够压缩全过程的压缩负荷曲线，密封条的接触状态也可以能够直观地反映出来。

通过有限元分析结果，判断胶条压缩力过大，将会导致车门关闭力增加，影响客户满意度。因此，优化了截面厚度，并用关门速度实验验证了设计的可行性。

相于传统的试制实验方法，利用有限元分析软件进行前期开发，可以缩短开发周期，降低开发成本，而且可以获得试验中很多难以测试的数据，更加全面地评估设计可行性以便及时更改和优化产品。

由于橡胶材料的不稳定性及实验设备的缺乏，本文没有从材料方面进行优化讨论。

参 考 文 献

[1]M Mooney.A theory of large elastic deformation[J].Journal of Applied Physics，1940（6）：582.

[2]赵建才.轿车车门密封条压缩变形的计算机仿真[J].计算机仿真，2002（3）.

[3]董叶顺.汽车门框密封条结构及材料优化的CAE分析[J].橡胶工业，2002（10）.

[4]李卫平.轿车车身密封结构及其仿真[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[5]魏勋强.汽车车门密封条对车门关闭力影响因素探索[J].中国科技信息，2012（9）.

[6]袁进兵.浅谈汽车车身减压阀在汽车关门时对车门关门力的影响[J].企业与科技，2015（19/20）.

[责任编辑：钟声贤]