ANSYS有限元技术在汽车密封条设计中的应用

付治存

（重庆长安汽车公司汽车工程研究总院）

随着汽车工业的发展和社会的进步，消费者对汽车的乘坐舒适性以及防振和隔声等性能要求越来越高，汽车门窗密封条在其中起到了介质密封的作用，它使车身室内与外界隔绝，不仅能防风、雨及尘土侵入室内，提高隔声和隔热性能，以保持车内环境，而且还能缓和车门等运动件关闭时的冲击力和车身在行驶过程中的振动，提高乘坐舒适性。有研究表明，密封条的压缩变形产生的阻力占车门关闭力的35%～50%，因此在设计时需考虑密封条结构对压缩和密封等性能方面的影响，预先对结构和受力变形进行分析是很有必要的。文章利用ANSYS软件对某车型密封条进行了分析，考察了密封条的几何结构、材料特性及在车门关闭过程中的压缩变形和压缩受力等情况，并根据分析结果对密封条结构进行了优化，以满足设计目标的要求。

1 密封条的几何结构和性能指标

汽车密封条一般采用三元乙丙橡胶材料，三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯及少量的非共轭二烯烃的共聚物，是乙丙橡胶的一种，以EPDM（Ethylene Propylene Diene Monomer）表示，因其主链是由化学稳定的饱和烃组成，只在侧链中含有不饱和双键，故其耐臭氧、耐热及耐候等耐老化性能优异，可广泛用于汽车部件、建筑用防水材料、电线电缆护套、耐热胶管、胶带及汽车密封件等领域。

汽车门框密封条一般由EPDM密实橡胶、EPDM海绵橡胶及金属骨架三部分组成，横截面几何模型，如图1所示。

图1 门框密封条横截面几何模型图

1.1 EPDM密实橡胶

密实橡胶硫化在“U”形金属骨架上，用于将密封条固定在侧围门洞止口上，使密封条装配时只有较小的插入力，而拔出时密封条具有较大的保持力，该类密实橡胶需要达到的物理机械性能，如表1所示。

表1 密实橡胶物理机械性能

1.2 EPDM海绵橡胶

海绵橡胶是密封条的最外侧部分，回弹性能好、易变形，车门关闭时直接与车门接触，承受车门关闭时的压缩载荷，起到密封作用，同时还可以弥补车门与车体之间间隙的不均匀性，该类海绵橡胶需要达到的物理机械性能，如表2所示。

表2 海绵橡胶物理机械性能

1.3 金属骨架

由钢丝聚酯织带或钢带构成，和密实橡胶形成“U”字形状，起夹持加强作用，使密封条在压缩变形过程中保持正确的形状。钢丝聚酯织带性能指标，如表3所示；钢带性能指标，如表4所示。

表3 钢丝聚酯织带性能指标

表4 钢带性能指标

2 密封条有限元分析的基本过程

使用ANSYS进行CAE分析的基本过程，可分为前处理、加载并求解及后处理3个主要步骤。密封条CAE分析的一般过程，如图2所示。

图2 密封条有限元辅助分析流程图

2.1 密封条有限元网格模型的创建

借助专业有限元网格划分软件HyperMesh对密封条的CAD数据进行前处理网格模型划分，为了获得理想的变形仿真效果，单元类型采用四节点平面应变单元，海绵橡胶单元尺寸选取0.3 mm，密实橡胶单元尺寸选取0.7 mm，在密封条厚度方向和表面接触区域进行足够的网格细分，如图3所示。

图3 密封条有限元网格图

2.2 密封条材料特性的创建

将HyperMesh网格模型导入ANSYS中，分别对海绵橡胶和密实橡胶赋予不同的材料属性，如图4所示。

图4 密封条赋予材料属性后的有限元模型图

密实橡胶是一种不可压缩的弹性材料，在大变形的情况下是非线性弹性变形，通常由Mooney提出的应变能密度函数来表征，如式（1）所示。

式中：C1，C2——材料常数，其值由非线性最小二乘法拟合单轴拉伸和平面剪切试验的数据确定，分别为8，2 N/mm2；

I1，I2——变形张量不变量。

海绵橡胶是可压缩的弹性材料，由Ogden[1]在1972年提出的模型来表示，该模型用应变能密度函数来表征，如式（2）所示。

式中：λ1，λ2，λ3——主伸长比；

μn，αn，βn——材料常数，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。

2.3 创建接触

该分析中的密封条模型属于平面二维模型，在二维分析中可将密封条的载荷压缩变形简化为平面应变问题。如图1中用一条直线代表车门刚体，用来表示刚体的表面可以在2个平面方向上随意移动，以此模拟车门的旋转关闭状态。车门与密封条的接触属于“刚体-柔体”的“面-面”接触类型，刚性面（车门）被当作“目标”面，柔性体的表面（海绵橡胶）被当作“接触”面。

在ANSYS中，车门（刚体）与密封条海绵橡胶的接触选用接触单元Contact，其接触设为法向单侧接触，即设置KEYOPT（12）=0。其中Targe169为目标面（设置刚体）和Conta171为接触面（设置与刚体接触的密封条海绵橡胶）。定义法向刚度接触因子FKN=2.0，初始靠近因子 ICONT=0.1，Pinball=5。

海绵橡胶与密实橡胶之间的接触单元也用Contact单元，其接触设为绑定接触，即设置KEYOPT（12）=6，两者不能脱开也不允许有相对滑动。

密实橡胶与骨架之间的接触可视为粗糙度无限大，且表面之间没有分离，建立有限元模型时可将两者连接起来，并将金属骨架在2个平面方向上全约束。

2.4 定义边界条件和载荷 提交分析作业

1）定义边界条件：车门作为主动面并视为无限大刚体，密封条作为从动面视为弹性体，车门与密封条的摩擦根据粘-滑摩擦模型计算，摩擦因数假设为0.2；

2）定义载荷：车门刚体水平向右平移3 mm，使密封条压缩3 mm位移；

3）提交分析作业。

3 结果分析与评价

分析计算完成以后，可以得到密封条压缩变形前后的模型图（见图5）、应力云图（见图6）及压缩负荷与压缩位移的关系图（见图7）信息。

图5 密封条压缩3 mm变形前后对比图

图6 密封条压缩3 mm时的应力图

图7 密封条变形过程中的压缩负荷曲线图

从图6可以看出，密封条压缩3 mm时，接触面上的最大压应力为0.029 27 MPa。从图7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，密封条压缩3 mm时所受的最大压缩载荷为3.2 N。根据某企业标准规定100 mm密封条压缩3 mm时的最大压缩负荷为（2.5±1.5）N，因此该密封条的压缩负荷符合企业标准。

2 结论

通过上述分析可以看出，汽车密封条的结构、材料和压缩变形特性对整车密封性和车门关闭效果具有重要影响，利用有限元技术预先对其进行分析优化，可以在密封条产品制造之前预先发现潜在的问题，并找出最佳的设计方案，确保设计的合理性，从而缩短设计周期，降低设计成本和材料消耗。