ANSYS 有限元技术在汽车密封条设计中的应用

冯新建， 陈建方， 周 恒， 王海建

（兴宇汽车零部件股份有限公司， 浙江 台州 317300）

引言

随着当前我国车辆工业的快速发展以及科技事业的整体进步，人们对相关车辆的乘坐感受效果以及其减振、阻音性能等指标参数情况关注得越来越密切，这里面汽车车门密封体部件发挥出了隔音密封的保障化效能，依靠它的作用的发挥实现了汽车驾驶室内和外在空间的阻断，不但可避风、遮雨，以及阻止飞尘透进室中，增强隔声及截热效果，进而有效保障车内舒适环境的维持和延续，而且可消耗掉车门等操作部件在关闭过程中产生的彼此碰撞冲击作用力及车体在行进阶段中发生的振动力，强化人乘坐时的舒服感。据相关资料表明，汽车门密封体的受压缩过程所产生的阻滞力可占据到车门关闭时发生作用力的30%～50%，故此在对汽车车门结构进行技术设计时应当关注于其车门密封体结构形态对车门关闭时相关部件受到压缩及产生密封等作用方面的关联性，提前做好对其车门封闭形态及其受力变形过程的分析路径是极为必要的。该文借助于相关程序软件对某款车的密封体进行了分析，分析了封闭件的组成架构、本体性能及其在封闭操作环节中的变形路径及负荷变形等情况，且参照对应的分析结果对其封闭体结构给出了全面的优化方法，进而达到所设计的技术指标水平[1-2]。

1 汽车车门密封条技术发展现状

汽车车门密封体作为汽车本体的主要组成元素之一，被成功应用于汽车结构的相应部位上，可发挥出阻音、减噪、避水、御尘及降震的效能。车门密封体种类较为繁多，依照专属用途应当将其划分成压缩式密封体及滑移式密封体等。汽车门密封体是最常用的压缩式密封体，在和车门进行啮合的操作环节中展现出了繁杂的力学特征，设计环节应当顾及到其进行压缩变化时的受力强度，从而达到主机生产厂的配套性技术需求。

目前，国际上广泛应用有限元运算软件对汽车门密封条结构做出改进设计，并且已经获取到了显著的研究成效。著名专家D.A.Wagner 对密切关联汽车门密封体密封效果的一些因素做出了深入性的探讨和分析，总结出了其汽车门密封体发生承力变形时的特征图像。著名专家付治存借助于该款程序软件对某特定车型封闭部件实施了辩证性分析，同时将封闭材料的压缩强度转变成了可满足设计标准要求的指标数据。业内专家陶志军等借助于非线化有限元运算软件MSC.MARC 仿真车门密封体料条和本体的配置过程，可证实不同的网格处置程序对其运算结果会发生明显的关联作用，且借助于和3D 结构模型及成品检测数据结果之间的对照，调配圆角区网格的尺寸数据[3]，并且对关联点的网格参数和质量指标做出精细化控制，从而获取到比较理想的仿真效果。赵健先生系统地分析了汽车门密封体构架有限元运算中的相关问题，并且对干扰分析精准性的有关元素做出归纳判断，对密封体常规的变化模式做出仿真分析，并且对不符合设计标准要求的车门密封体做出了完整化的结构改进过程。

2 车门封闭部件的内在结构及组成材料

2.1 内在结构

汽车门封闭部件均选取合成橡胶的化学成分，其化学橡胶原料是由低级烯烃及较大比例的不饱和烯烃式的共聚化合物，其是属于乙丙橡胶族中的普通一种，是用EPDM代号来表示，由于其本身分子结构中的主链结构是由性质相对稳定的饱和脂肪烃所组成，仅是在其侧链组成当中包含着不饱和化的双键官能团，所以其本身具有耐惰性成分、抗热力侵蚀及抗外界气候影响的多类抗老化的特种性能[4]，被广泛应用于汽车制造、空间防漏材料、电力器材、抗热塑管、塑胶带和汽车零件等多个系统当中。

2.2 组成材料

汽车门封闭件总体上均由固体橡胶材料、绵性塑性财料及刚体材料三类成分所组成，其本身的断面是属于几何态的组成架构。

1）1EPDM 式工业橡胶材料。工业橡胶原料的强化过程是实施于在“U”式框架之上，用来把密封体镶嵌于侧门开口之上，让车门密封体装设时仅需要很小的穿入功力，而在开门揪出时密封体具备很强的维持定力，此款实心橡胶能够具备合格的操作韧性。

2）EPDM绵质橡胶材质。绵质橡胶材料属于车门密封体的最表皮部分，反弹品质优异、不易发生变形，在车门关下时零距离和车门相触击，感应着车门关下时的压缩强度，发挥出密封的效能，并且尚可消除车门和车本体结构之间缝隙的不均一状态。

3）本体功能架构。本体功能架构是利用金属丝型塑料平条或是金属条材料来实现的，和实体橡胶材料形成特形的状态，展示出支撑功能，由此让密封条构架在受力变形进程中维持应有的操作形态。

3 密封体有限元核算分析的实施进程

选取ANSYS 有限元来做出CAE 运算分析的整个过程，应当划分成前期处理、数据加载、问题求解和后续处理这几项关键程序[5]。

3.1 密封体有限元运算模型的拟建

依托专属行的有限元数学分析软件对相应的密封件性能参数实施提前性的处置进程及相关属性的分割，要赢得切切实实的变形仿真结果，结构形态利用多支点承力应对架构，绵性橡胶结构特征尺寸确定为0.25 mm，实心橡胶密封体外形尺寸选择用0.65 mm，在密封体厚度取向及表层关联区域做出充分化的网格分割。

3.2 密封件性能特征的形成

将该程序模型转入现行的有限元分析体系当中，先后对绵质橡胶体及实心橡胶体赐予相异化的材料性能。实心橡胶体是属于一款不易变形的弹性素材，在发生显著变形的趋势下属于非线性化的弹力变形状态，一般是由Mooney 给出的应对型密度函数形态来展现。

3.3 耦合形态的确定

该文中所说的汽车密封件结构应当算是比较简单的普通架构形态，在平面结构研究中需要将其密封部件的负荷承力变形历程演进成普通平面式的应对情形。以一条直线来充当车门架构，用于展示架构的表层能够在二维平面上进行任意滑动，据此来模拟车门的旋转关闭动态过程。汽车车门和密封条达到的接触密封为“刚体- 柔体”的“面- 面”接触，刚性面（车门）作为“目标”面，柔性面（密封条即海绵橡胶）作为“接触”面。ANSYS 软件中，将刚性面（车门）与柔性面（密封条即海绵橡胶）的接触作为接触单元contact，认为二者接触为法向单侧接触，即KEYOPT（12）=0。其中将Targel69 作为目标面（即设置刚体）和Contal71 作为接触面。定义法向刚度接触因子FEN=2.0，初始靠近因子ICONT=0.1，Pinball=5。

Contact 单元也作为密实橡胶、海绵橡胶二者的接触单元，默认接触属于绑定接触，认为KEYOPT（12）=6，双方紧密接触，不能分开，也不能产生相对滑动。同时，将密实橡胶和骨架之间的接触粗糙度认为无限、无穷大，并且双方表面之间未分离。

3.4 定义边界条件和载荷提交分析作业

1）确定边界条件：将车门视作主动面并且认为粗糙度无限大的刚体，将密封条作为承重面并且作为弹性体，由粘- 滑摩擦模型计算车门、密封条之间的摩擦，假设摩擦因素为0.2。

2）确定载荷：刚体（车门）沿着水平方向右移3 mm，同时压缩密封条3 mm。

3）提交分析作业。

4 结语

汽车车门的密封条对汽车的整体密封与车门关闭的程度作用很大，要更关注其结构、材料及变形方式，借助有限元技术对汽车密封条进行整体优化，及时发现并解决出现的问题，形成优化设计方案，使得整体设计更加合理、更具适用性，不断缩减所需时间，最大限度降低成本，减少用料耗材，为密封条产品设计制造提供依据。