轿车车门玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱问题分析及其结构优化

赵建才，吴定凯

（建新赵氏集团有限公司，浙江 宁波 315615）

玻璃导槽密封条是轿车车门玻璃升降系统的主要零部件之一，作为车门玻璃升降的引导部件，其兼具导向、密封、防水、防尘以及降噪等诸多功能[1]。玻璃导槽密封条在安装过程中，需要匹配钣金件的弧度，进行三维弯曲变形。如果玻璃导槽密封条结构设计不合理，其在装车时会在车门转角出现唇边波浪形皱纹（如图1所示），导致密封不严，造成车箱内漏风、噪声增大，同时影响车门外观。

图1 玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱

蔡增伟等[2]对轿车行李箱密封条起皱问题进行了CAE分析，并对密封条结构进行了优化。李欢等[3]利用非线性有限元分析软件MSC.Marc对汽车车门密封条起皱现象进行了研究，并改进了密封条结构。赵建才[4]利用基于弧长法的有限元分析方法对密封条结构进行了探讨，获得了密封条失稳起皱的临界条件，分析了密封条起皱原因，进行了密封条结构优化。

本研究利用非线性有限元分析软件MSC.Marc，建立玻璃导槽密封条三维仿真模型，分析装车过程中密封条弯曲唇边起皱的原因，并对密封条结构，尤其是唇边结构进行优化，以解决密封条弯曲唇边起皱问题。

1 玻璃导槽密封条弯曲变形模拟

1.1 几何模型建立

玻璃导槽密封条由橡胶（密实）、金属骨架和涂层（降低与玻璃的摩擦力）组成。橡胶部分分为软质胶和硬质胶，唇边为软质胶，夹持部位为硬质胶；涂层与软质胶共挤出；橡胶与金属骨架硫化粘合。玻璃导槽密封条的结构非常复杂，为便于唇边弯曲特性的分析，对密封条结构进行了简化，其结构如图2所示。

图2 玻璃导槽密封条结构示意

1.2 材料模型建立

橡胶材料是一种特殊的弹性体，在较大变形下其弹性为非线性，可采用应变能势函数来描述其力学行为，其中应用较多的应变能势函数是Mooney-Rivlin模型。

式中，C10和C01是与温度相关的材料常数，由材料试验确定[5]；I1和I2分别是Cauchy-Green变形张量的第一和第二不变量。

1.3 单元类型选取

玻璃导槽密封条的弯曲变形采用三维仿真模型分析，橡胶选用84号Herrmann单元，金属骨架和涂层选用7号各向同性单元进行模拟分析。密封条的三维仿真有限元分析模型如图3所示。

图3 玻璃导槽密封条三维仿真有限元分析模型

1.4 边界条件确立

玻璃导槽密封条接触边界条件属于高度非线性，夹持部位结构复杂，其边界条件设置如下。

（1）玻璃导槽密封条长为600 mm，弯曲半径为740 mm，对密封条中间部位的金属骨架加载与Y轴方向相反的位移载荷，模拟密封条的弯曲受力情况。

（2）对密封条两端的金属骨架施加Y和Z轴方向的固定位移，防止密封条在Y和Z轴方向移动。

（3）在密封条底部与钣金接触部位施加X轴方向的固定位移，防止密封条在X轴方向移动。

1.5 起皱模拟

利用Multi-Criteria法对玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱进行模拟，结果如图4所示。

从图4可以看出，密封条弯曲中间部位唇边明显起皱，这直接影响密封效果。密封条弯曲唇边起皱属于屈曲失稳问题，造成这一现象的原因主要是唇边厚度较小、弧度较大，随着弯曲压力的增大，密封条抗横向变形的能力下降，当弯曲压力达到一定值后，密封条结构失去平衡而唇边形成波浪形皱褶。

图4 结构优化前玻璃导槽密封条弯曲唇边状态

2 玻璃导槽密封条结构优化

导致玻璃导槽密封条弯曲起皱的因素较多[6]，如密封条结构、材料和车门弯曲弧度等。在密封条材料和车门弯曲弧度不变的情况下，根据密封条的装配要求，优化唇边结构，调整唇边厚度和弧度。玻璃导槽密封条的优化结构和原结构断面对比如图5所示。

图5 玻璃导槽密封条优化结构和原结构断面（局部）对比

对结构优化后的玻璃导槽密封条进行弯曲分析，密封条弯曲唇边不再出现波浪形皱纹，如图6所示。

图6 结构优化后玻璃导槽密封条弯曲唇边状态

由于唇边结构改变会引起压缩性能变化，因此需对优化结构密封条进行压缩负荷校核。玻璃导槽密封条的压缩负荷分析采用二维仿真法，变形方式为平面应变，密封条压缩负荷与压缩位移的关系曲线如图7所示（密封条长度为100 mm）。从图7可以看出，密封条最大压缩负荷为5.4 N，满足（6 2） N指标要求。

图7 结构优化后玻璃导槽压缩负荷与压缩位移关系曲线

3 实际装车验证

实际装车试验表明，结构优化后的玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱问题解决（如图8所示）。

图8 优化结构后的玻璃导槽密封条装车效果

4 结论

运用非线性有限元分析软件MSC.Marc，对玻璃导槽密封条弯曲变形进行三维仿真分析，模拟了装车过程密封条弯曲唇边起皱状态。通过对密封条结构，尤其是唇边结构进行优化，密封条弯曲唇边不再出现起皱现象，且密封条密封性能满足要求。