有限元技术在密封条实际问题解决中的应用

黄小兰，张坡，邵唤梅

摘  要：密封条作为整车密封系统的重要组成部分，其性能的好坏对整车的密封性、NVH性能、舒适性、美观性等起着重要的作用。然而在实际生产装车过程中，密封条经常出现各种问题，如密封反力大、车窗漏雨、密封条与周边件配合效果差、开门时密封条唇边与车身侧围勾带摩擦异响等，这些问题使顾客对整车的好感大打折扣。本文运用有限元技术，在密封条断面设计阶段或试制初期对其进行有限元分析，规避密封条反力大、漏水、外观效果差、磨损等问题，为设计出符合要求的密封条断面提供参考依据，并缩短开发周期。

关键词：密封条;ABAQUS;密封反力;漏水;外观

中图分类号：U466     文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2021）04-0063-07

The Application of Finite Element Technique In The Practical Problem of Sealing Strip

HUANG Xiao-lan， ZHANG Po， SHAO Huan-mei

（ BYD Auto Industry Company Limited. Shenzhen  518118， China ）

Abstract： The sealing strip is one of the important components of the vehicle sealing system， its performance affects play an important role in vehicle sealing performance， NVH performance， comfort performance， beautiful performance. However， in the actual loading process， the sealing trip has all kinds of problems， such as the sealing force is too large， the window leak， the sealing strips have a bad appearance with surrounding， the noise genera-based on the sealing strips lip and the sidewall of vehicle body， has abnormal sound on body twist lane， which will give a big discount for vehicle s good feeling. This article use finite element technique set the sealing strip a finite element analysis at the stage of design state， which will avoid large sealing force， water leaks， appearance badness and rattles. It will give a reference to design a requested seal section， which would be shorter development cycles.

前    言

随着社会的不断进步，汽车行业的快速发展，人们对汽车各方面的要求也越来越高，作为汽车重要组成部分的密封条更是如此。汽车密封条作为整车密封系统的重要组成部件之一，具有减振、防水、防尘、隔音、降噪、装饰等功能[1]，在密封条开发阶段，反力大、漏水、外观配合效果、磨损及异响是密封条开发工程师关注的重点。过去常常需要在密封条样件出来后，实车装配验证时才能发现上述问题，再根据问题对样件进行整改并验证，如此反复进行。本文介绍几种密封条实际生产中的常见问题，并通过非线性功能强大的ABAQUS软件对此类问题进行分析并提出解决方案，为后续车型的密封条设计规避类似问题提供设计参考，缩短开发周期，优化密封条产品验证流程，节约研发成本。

1    密封条的非线性有限元分析

1.1   密封条几何结构

汽车上采用的密封条主要有车门密封条和门框密封条。部分车型同时装配有门缝条、门槛条等辅助密封条。

车门密封条也称为车门头道密封条，起主要密封作用。其结构常见有两种，一种为全海绵胶泡管，另一种由密实胶基体和海绵胶组成。门条一般通过胶带或卡扣装配在车门上，与门框密封条配合，以增加车门与车体的密封作用。

门框密封条顾名思义就是镶嵌在侧围门框上的密封条，它通过内嵌金属骨架夹持在侧围止口上，泡管由海绵胶和密实胶组成。

密封条配合结构多种多样，本文主要介绍实车经常出现问题的几种配合断面结构，如表1所示：

1.2   密封条的材料模型

密封条材料一般由EPDM组成，可分为EPDM 海绵胶和EPDM密实胶。海绵胶通常和卡扣或胶带一起固定在车门或车身上，密实胶内嵌有骨架起安装夹持作用。

EPDM海绵橡胶是一种可压缩材料，在车门关闭过程中海绵橡胶的变形包括材料本身的变形和发泡空隙的变形。Ogden采用λi作為自变量，提出一种适用于海绵橡胶的Foam模型[3]

（1）

式（1）中βi为材料系数，J=λ1×λ2×λ3。

该模型适用于大变形、高度非线性的弹性材料，同样适用于可压缩的海绵橡胶材料，能较准确的反应海绵橡胶的材料特性。通过单轴拉伸、平面剪切和体积试验拟合得到材料参数。

EPDM密实橡胶是一种不可压缩的密实橡胶，对于橡胶材料，ABAQUS 软件使用应变能而不是应力应变关系来描述不可压缩的橡胶材料特性，本文采用Mooney-Rivilin 模型[4]来描述橡胶材料的特性：

（2）

U——材料的应变能函数;

C10、C01——材料弹性常数;

I1、I2——材料变形大小参数。

EPDM密实胶的材料参数用非线性最小二乘法拟合单轴拉伸和平面剪切试验数据确定。

1.3   有限元分析模型的建立

由于密封条在长度方向的尺寸远远大于其余2个方向的尺寸，在车门关闭过程中沿长度方向的变形很小，因此密封条可简化为平面问题。此类问题为平面应变问题，作为平面应变计算，长度取100mm。

由于车门或侧围钣金、玻璃、门槛踏板等相对于密封条来说刚度较大，因此采用解析刚体来模拟。

将密封条进行网格划分，单元尺寸一般选取0.3～0.5mm。单元属性采用4节点线性减缩积分四边形单元，分析时间短且计算结果较精确。

有限元建模思路大体类似，先将密封条固定（卡扣或钢带夹持位置），然后将与密封条有干涉的刚体件（如窗框、门外板等）移开，再运动至安装状态，最后将侧围等其他环境配合件运动至装配状态。密封条与刚体之间的摩擦根据库伦摩擦模型计算，摩擦系数设为0.35。添加完约束后的网格模型如图1所示：

1.4   分析结果与评价

密封条有限元分析的结果主要包括密封条压缩过程中的变形姿态、对环境配合件（如侧围）的反作用力即压缩负荷，以及密封条接触长度。

密封条的变形姿态体现了密封条实车装配后的静态外观效果、动态变形、密封条泡管与钣金的相对运动;压缩负荷体现了密封条装配后对车门的反力，其反力越大关门越费力;密封条的接触长度体现了密封条装配后的密封效果，接触长度越大，密封效果越好。

2    密封条实际问题解决

2.1   密封条反力大

2.1.1 问题描述及原因分析

某车型在S1阶段试制时发现C柱下段缝条反力大，严重超标，要求总反力<15N，实车测试值如表2所示：

经查实发现，C柱下段缝条在实车装配环境下，完全被压实，而缝条底部及唇边都为密实胶，压实后反力剧增。造成缝条被压实的根本原因为车门内外板的折边胶，如图2中红线所示，胶厚2.5mm左右，在设计阶段未考虑此胶。

2.1.2 整改方案及效果

运用有限元技术仿真对比考虑折边胶和不考虑折边胶，C柱下段缝条的压荷仿真对比如表3所示：

由结果可知，该车型现有C柱下段缝条断面在考虑折边胶情况下的压荷偏大，需要调整密封条断面以减小压荷。

根据仿真结果，将该车型的C柱下段缝条断面的胶条分界线和压缩量进行设计变更，更改前后对比如下表4：

由结果可知，该车型C柱下段缝条断面调整后反力明显减小。按最新断面挤出实物在实车测试，符合总反力<15N要求。

2.2   密封条漏雨

2.2.1 问题描述及原因分析

某车型在S1试制阶段进行淋雨试验时，发现后门侧开玻璃存在漏雨现象。

由于该车型的后门玻璃采用侧开形式，且该处仅一道密封，而该处的密封条泡管是带多个凸点的，如图4所示。初步分析泡管与玻璃密封贴合不紧，造成密封效果差，使雨从外面通过泡管凸点处的缝隙渗透进车内，导致漏雨。

2.2.2 整改方案及效果

运用ABAQUS软件对现有侧开玻璃密封条进行非线性有限元分析，得到其压荷曲线和压缩变形图如图5和图6所示：

从图中可看出密封条的接触长度较小，且各凸点之间都有缝隙，贴合性不好，雨水很容易渗透进去。测量其接触长度仅为2.65mm，主要原因在于泡管上的凸点。将密封条泡管上的凸点取消，同时增大密封条的压缩量，新密封条断面如图7所示。将新密封条断面进行分析，得到其压荷曲线和压缩变形图如图8和图9所示，压荷与旧断面接近，新旧断面d0位置的压荷为别为10.24N /100mm和9.85 N/100mm，从变形图可知密封条的接触长度得到很大提高，密封条与玻璃接触紧密，测量其接触长度为5.44mm。将新密封条断面的样件装到车上进行淋雨试验，漏雨问题得到有效改善。

2.3   密封条与周边件配合效果差

2.3.1 问题描述及原因分析

某车型的门槛踏板位置存在鼓包问题，如图10所示。由于密封条唇边与A柱下饰板配合不良（图10圆圈处），导致踏板装配不到位造成鼓包。

2.3.2 整改方案及效果

运用ABAQUS软件对框条唇边进行装配分析，得到框条唇边变形形状如图12所示。从图中可以看到，框条唇边与A柱下饰板处于挤压状态，踏板再与A柱下饰板配合时由于受到框条的挤压从而形成鼓包。根据框条唇边变形后的形状重新设计A柱下护板尺寸。变更前后如图13所示，变更后的框条唇边与A柱下护板处设计配合如图14所示，实车配合外观效果如图15所示，从实车配合外观看，改善效果良好。

2.4   开门时密封条唇边与侧围勾带磨损

2.4.1 問题描述及原因分析

某车型在S1试制期间发现，C柱位置的门条唇边异常磨损，直接影响门条的外观效果。经实车排查原因发现，在车门打开过程中可听到门条唇边与侧围玻璃胶条有勾带摩擦异响声，长期的开关门造成门条唇边有磨损痕迹。C柱位置的门条与侧围玻璃胶条配合情况如图16所示，磨损部位见图16中圆圈所示：

2.4.2 整改方案及效果

运用ABAQUS软件对C柱门条进行开门运动过程分析，发现门条唇边在开门过程中不顺畅，存在勾带现象。打开过程中门条唇边的运动形态如表6所示。从开门过程中门条唇边的变形效果看，主要原因为侧围玻璃胶角度与车门运动方向垂直，导致门条唇边在车门打开过程受挤压。对侧围玻璃胶条进行调整如图17所示，对更改后的断面进行有限元仿真，门条唇边在开门过程中，没有勾带现象，开门顺畅。将更改后的侧围玻璃胶条装车，没有再出现门条唇边磨损现象，问题得到解决。

总    结

密封条作为整车密封系统组成不可缺少的一部分，其在实车装配中经常遇到各种各样的问题。本文通过运用有限元技术，对密封条实际装车过程中容易出现的如反力大、漏雨、外观效果差、磨损等问题提供解决方案。为后续车型密封条的断面设计提供参考依据，在设计阶段应用有限元技术进行密封条分析，避免试制阶段对样件的反复修改和多轮试装，从而缩短密封条产品开发周期，优化密封条验证流程，节约设计开发成本，提升密封条产品的设计能力。对密封条的断面设计总结如下：

（1）对缝条类密封条断面，需考虑车门间隙面差和折边胶的影响;

（2）仅一道密封的密封条断面，泡管不能采用带多个凸点的结构;

（3）密封条的外观效果，需根据装配要求进行仿真分析，提前预知装配后的变形姿态;

（4）C柱角窗位置，带唇边类的密封条断面需进行开门运动校核，避免唇边被勾带粘连产生磨损和异响。

参考文献：

[1]高来荣. 车门密封胶条的产品与技术详解[J]. 现代橡胶技术，2012（38）：13—14.

[2]黄天泽，黄金陵.汽车车身结构与设计.—北京：机械工业出版社，1997.10.

[3]M. Mooney. A theory of large elastic deformation. Journal of Applied Physics，1940，6： 582.

[4]R W Ogden， Large deformation isotropic elasticity： on the correlation of theory and experiment for compressible rubberlike solids J. Proceedings of Royal Society， 1972， A （328）：567-583.

黃小兰

毕业于南昌大学车辆工程专业，本科学历，现就职于比亚迪汽车工业有限公司，高级车身验证工程师，主要从事开闭系统性能验证相关工作。