基于有限元的外水切结构优化设计

姚 宇

（华晨汽车工程研究院闭合件工程室，辽宁 沈阳 110141）

前言

外水切，在汽车中起到密封、隔音、防尘、减震、装饰、对车门玻璃导向等作用。在工厂批量生产过程中，外水切的装配性能直接影响了车间的生产节拍以及产品的装配质量。

图1　问题图片

某车型的外水切在工厂装配过程中，出现了水切唇边卷边的现象，如图1所示。为查找问题的原因，本文利用有限元分析的办法对外水切的装配过程进行模拟。

1　外水切装配过程分析

问题车型的外水切固定方式为螺钉连接，根据车间工艺卡可知，外水切安装过程为：

图2　

图3　外水切与车门钣金形状对比

车门造型为追求流线效果，通常在腰线位置设计为Y向为圆弧形状，而外水切实际生产过程中，为了降低成本，通常在Y向不增加拉弯工艺，如图3所示。

外水切在安装过程中，由于钣金的强度远大于外水切强度，通过车门钣金止口强制改变外水切形状，使外水切装配后呈现与车门一致的流线效果。在打紧螺钉之前，外水切两端与车门钣金存在Y向缝隙，外水切最外侧唇边（图4）与车门钣金不贴合。在螺钉打紧的过程中，外水切发生转动，装配过程复杂，当唇边导向不明显时，极易出现卷边问题。

图4　螺钉打紧前外水切端部状态

2　外水切装配过程有限元分析

Abaqus作为一款有限元分析软件，适用于非线性问题分析。外水切唇边材质通常为PVC，在装配过程中受力产生较大变形，属于典型的非线性形变问题。由于三维模型分析工作量较大，而经过以往项目长期的验证，典型结构的二维断面分析结果与三维分析基本一致，通常情况下可以使用二维断面代替三维结构进行分析。因此，本文选用外水切端部位置典型断面代替三维模型进行分析。同时，为进一步减少计算量，对外水切断面进行简化，简化掉不影响装配效果的结构，如图5所示。

图5　外水切简化模型

将外水切断面导入到Abaqus中，选择本构模型为Ogden模型，输入材料的应力应变曲线值。根据实际工况对外水切和车门钣金进行装配，按照旋转+逼近的装配过程设定分析步和边界条件。运行软件进行仿真分析，结果如图6所示，从图中可以看出，外水切端部在正常装配时，有出现唇边卷边的风险。因此，需要对外水切断面结构进行优化。

图6　外水切有限元分析结果

3　外水切结构优化及验证

结合图6分析结果，对外水切唇边结构进行分析，如图7所示，外水切唇边形状为半径为R的圆弧，车门钣金与圆弧半径的角度为α，在外水切螺钉打紧过程中，外水切发生转动，圆心位置发生变化，角度α逐渐减小，通过仿真分析可知，角度α越小，接触时发生卷边的风险就越大。

图7　外水切卷边原因分析

考虑到零件的制造误差以及人工装配不确定因素较多，问题水切的唇边结构存在较大风险。为彻底解决此问题，将外水切唇边做导向结构，即将唇边圆弧做成反弧形状，如图8所示。

图8　优化后外水切唇边形状

将优化后的外水切断面导入Abaqus，按照相同的边界条件进行分析，结果如图9所示。通过有限元分析进行验证，可知优化后的断面规避了唇边卷边问题。

图9　优化后外水切有限元分析结果

4　结论

车门外水切作为具有外观功能的零件，装配性的好坏直接影响外观效果。在设计前期充分利用 Abaqus有限元分析软件进行仿真，结合零件的实际工作边界条件，能够有效的规避许多设计原因产生的问题。本文只是 Abaqus在密封系统设计中应用的一例，旨在为以后的结构设计提供一种新思路、新方法。

[1] 付治存.有限元技术在汽车密封条结构优化设计中的应用[J].汽车零部件,2015（11）.

[2] 张龙,于涵.汽车车门外水切密封条的设计解析与研究[J].汽车实用技术.2017（05）.