垃圾转运集装箱密封条的结构优化分析

黄长缨

（上海环境物流有限公司，上海 200033）

随着城市化进程的加快，城市生活垃圾的产生量迅速增大[1]。生活垃圾需要应用集装箱进行转运，由于垃圾液的腐蚀以及转运中各种工况的影响，会导致垃圾转运集装箱出现漏液现象，而密封条在集装箱密封中起关键作用。

集装箱用密封条是典型的压缩型密封条，在与尾门相互作用的过程中显现出复杂的力学特性，设计阶段需着重考虑其压缩负荷，以便满足设计要求[2-3]。国内外已有学者使用有限元分析软件对密封条结构进行优化设计。蒋明明[4]将遗传算法和神经网络相结合，得出密封条的结构设计参数与压缩负荷、应力等的非线性全局映射关系。付治存[5-6]利用Ansys有限元分析软件对密封条进行结构分析，通过对密封条的结构尺寸重新设计以及对应力变形进行计算，最终使密封条的压缩负荷满足设计目标要求。陶志军等[7]利用MSC和Marc非线性有限元软件模拟车窗密封条亮条与本体的安装过程，发现网格处理方法对密封条的模拟结果有着显著影响，并通过与3D模型和成品试验对比，调整设计密封条的圆角处网格尺寸，同时对其接触部位的网格尺寸及质量进行严格控制，得到了较好的模拟结果。冯新建等[8]基于Ansys有限元分析软件，以某一车型的车门密封体为例，借助于非线性有限元运算技术对汽车密封条设计展开了深入分析，并实现了将密封条的压缩力限制于（2.5±1.5） N的区间内，达到了规定的设计技术要求。胡强等[9]针对传统有限元模拟难以同时对密封条泡状管结构的多个参数进行优化的问题，提出了联合Sculptor，Abaqus，Meta和Isight等软件的多目标优化方法，综合考虑密封条泡状管的壁厚和宽度两个参数的相互影响，得到了压缩负荷与接触宽度优化的密封条泡状管结构。谢贵山等[10]通过Marc软件分析车身侧密封条的断面压缩变形与压缩力曲线，根据压缩力峰值优化密封条的断面形状，从而减小密封条的压缩力，并通过关门速度试验，验证所设计的密封条满足设计要求。王斌等[11]对车门密封条的断面进行了优化设计，并利用CAE软件进行理论分析，通过对密封条的断面优化设计和车门内间隙的调整，成功优化了某款轿车车门的关闭力。W.F.ZHU等[12]利用有限元软件模拟汽车密封条在压缩过程中的变形状态，并应用Mooney-Rivlin模型对密封条进行了材料结构改进，得到性能优良的密封条。刘红波等[13]探讨了两种轿车尾门密封条的防漏水设计方法以及尾门的漏水问题解决方法，通过实例对密封面轮廓突变引起的漏水问题进行分析，并运用有限元仿真方法，对密封条的截面进行了优化设计，为尾门密封结构的工程设计和优化提供了有效方法。王晓辉等[14]针对某装备驾驶门密封结构特点，研究密封条几何设计参数对密封性能的影响，选取驾驶门密封条的截面参数作为设计变量，对密封条的灵敏度进行分析，并建立密封条的接触压力与几何截面参数之间的关系，基于分析结果，完成了密封条的几何构形改良设计，给出了满足工程要求的设计方案。

本研究密封条为上海市虎林路码头湿垃圾转运集装箱用热塑性聚酯弹性体（TPEE）密封条，该垃圾转运集装箱为车船两用集装箱，因此密封条所处环境恶劣，需要较大的压缩负荷，对密封条的材料和构形等要求也高。本研究结合有限元分析软件对垃圾转运集装箱尾门处密封条进行优化设计与分析，对密封条的结构以及形状进行改进，以提高密封条的耐久性能和降低密封条的综合成本。

1 模型建立

1.1 几何模型

原密封条的截面包括呈山峰状的上层部分以及带倒角的下层部分，中间开有一个矩形槽，矩形槽的四角为直角，两侧边有倒刺形状的凸起，共10个倒刺，密封条的实物如图1（a）所示。测试得出密封条的总宽度为40 mm，总高度为54 mm，上层部分的最低端距离矩形槽的顶端为10 mm，矩形槽的尺寸为24 mm×16 mm，倒刺高度为4 mm，应用绘图软件绘制的密封条的结构如图1（b）所示。

1.2 材料模型

由于超弹性材料具有多重非线性的特点，为计算求解方便，在对TPEE制品的应力与应变分析中，用Mooney-Rivlin模型来描述TPEE材料的超弹性特性。

本工作用应变能密度函数（W）来表征超弹性材料的特性，对其求应变分量的一阶导数，用式（1）表示[15]：

TPEE材料具有不可压缩性，当其受到外负荷时体积不变，受力前后的体积比为1：1，即J＝1。

根据单轴拉伸试验，可得出TPEE材料的变形和所受负荷的变化关系，由该变化关系计算出一系列伸长率λ1和与其对应的应力σ1，再根据λ1和σ1计算出式（14）中的X和Y，并通过Matlab软件拟合式（14）直线，则C10为该直线的截距，C01为该直线的斜率，因此可对密封条的材料属性进行设置。

1.3 边界条件及网格划分

模拟集装箱门的关闭过程，需充分考虑边界条件及接触关系。本试验密封条采用TPEE材料，接触类型为摩擦接触，在箱门关闭过程中会通过TPEE材料的挤压以及摩擦接触来实现车门的关闭[16-19]。以原密封条作为基准进行分析，仿真试验将箱体位置固定，只对箱门进行移动，将箱体和箱门设置为结构钢材料，然后进行接触设置，仿真分析中将箱门与箱体的距离设置为14 mm，箱门的位移为6 mm，即密封条的压缩量为6 mm，将密封条与箱体和箱门间的接触设置为摩擦接触，且有4对摩擦接触对。

通过测量原密封条的实际尺寸，建立其几何模型并建立材料模型，其中C10和C01分别取0.28和0.06。密封条的材料模型建立后进行网格划分。原密封条模型的网格划分如图2所示。

为验证节点数对有限元分析的影响，选取5处应力较集中的点对密封条进行网格划分（见图2）。倒刺部分采用0.1 mm网格，其他部分采用2 mm网格，并分别取上下浮动10%的网格尺寸精度进行计算。本工作分别取1.8（0.09），2.0（0.10）和2.2（0.11） mm的3种网格尺寸（倒刺网格尺寸）对密封条进行网格划分，密封条的应力云图如图3所示，网格独立性分析结果如图4所示。密封条的网格尺寸（倒刺网格尺寸）为2.0（0.10） mm时，其上下浮动10%，密封条的应力变化不超过6%，满足网格独立性要求。

2 密封条的有限元分析

2.1 原密封条的性能分析

通过对原密封条进行网格划分、接触设置、负荷加载和约束设置等操作并进行仿真试验得到原密封条的应力和应变云图，如图5所示。

从图5（a）可以看出，原密封条上层顶点以及中间最低端处的应力较大，局部达到了5.831 MPa，经过长期开关门的作用以及垃圾液的腐蚀，这些应力较集中的地方会发生龟裂，从而导致密封不严，缩短了密封条的使用寿命。

从图5（b）可以看出，靠近箱门密封条底部的过盈量较小，而接近密封条出口位置的过盈量相对较大，密封条的接触长度为29.1 mm，即压缩后密封条出口位置的接触长度小，存在接触不够，且密封条顶端有两个突起顶峰，中间凹陷部分容易夹带杂物。

因此，基于对原有密封条的应力与应变分析，其优化准则为在保证单位长度密封条提供的最小接触力达标的情况下，增大密封条的接触长度、减小密封条的内应力以及适当调整过盈应力大小和分布。

2.2 密封条的结构优化

2.2.1 截面设计

密封条的截面压缩变形仿真分析采用Ansys有限元分析软件进行，并应用草图绘制软件对密封条的截面形状进行设计。根据原密封条的受力情况和实际使用情况，共设计了3种截面形状的密封条，如图6所示。1#方案将原密封条内的矩形槽分为上部为椭圆和下部为梯形的组合结构，且对应力集中部分进行倒圆角；2#方案将原密封条内的矩形槽分为上部2个椭圆和下部1个梯形的组合结构，并使镂空部分尽可能圆滑，以减少应力集中；3#方案将原密封条内的矩形槽分为上部为带圆弧的梯形槽和下部为矩形槽的组合结构，且各转角倒圆角，尽可能减少应力集中。

2.2.2 初步优化方案

将3种初选方案简化分析，即取其截面进行应力与应变有限元分析，1#—3#方案密封条的压缩变形云图如图7所示。

对1#—3#方案密封条进行仿真分析可得，其最大应力分别为4.62，2.44和5.78 MPa，平均内应力分别为0.31，0.69和0.45 MPa，接触长度分别为47.5，41.5和32.3 mm，横截面积分别为1 375.4，1 541.5和1 338.7 mm2。

2.2.3 1#方案的二次优化

由仿真结果可得：2#方案密封条的最大应力虽然较小，但横截面积大，综合成本较高；3#方案密封条的各项性能指标都相对较差。综合考虑经济性和力学性能，1#方案密封条更符合设计要求。

影响密封条压缩负荷的因素有很多，包括材料的硬度、唇边的厚度、凹槽的形状以及结构尺寸等，通过对密封条进行密封性能分析，加载负荷为密封条表面的压力和箱体的位移约束，在1#方案的基础上产生了以下3种优化设计方案。

（1）增大密封条的总宽度和总高度，减小上层厚度（方案1）。具体为将密封条总高度增大为58 mm，总宽度增大为44.11 mm，椭圆孔尺寸设为28 mm×14 mm，上层厚度减小为5 mm，中间层厚度设为5.5 mm，下层厚度设为9.5 mm。方案1密封条的截面如图8（a）所示。

（2）增大密封条的总宽度、总高度和上层部分椭圆孔长径（方案2）。具体为将密封条上层宽度增大为50 mm，总高度增大为58 mm，椭圆孔尺寸设为38 mm×14 mm，下层厚度增大为9.5 mm，中间层厚度设为5.5 mm，上层厚度减小为5 mm，且下孔改为带圆角的梯形。方案2密封条的截面如图8（b）所示。

（3）增大密封条的总高度、总宽度、下层宽度和下层厚度，减小中间层宽度（方案3）。具体为将密封条的总高度增大为58 mm，总宽度增大为44.11 mm，上椭圆孔尺寸设为24 mm×14 mm，上层厚度减小为5 mm，下层厚度增大为9.5 mm，中间层厚度设为5.5 mm，中间层宽度设为28 mm。方案3密封条的截面如图8（c）所示。

通过仿真分析可得，方案1—3的接触长度分别为42，35和46 mm，平均内应力分别为0.35，0.29和0.29 MPa，最大内应力分别为3.15，3.88和3.09 MPa，横截面积分别为1 329.8，1 378.6和1 382.1 mm2。

2.3 优化密封条的性能评价

通过仿真结果可知：方案2密封条的性能较差，横截面积也较大；方案3密封条的最大内应力和接触长度与方案1密封条相差不大，但是横截面积比方案1密封条大52.3 mm2。综合性能与成本考虑，方案1密封条最符合要求。

对比优化前后密封条的仿真数据可得，优化密封条的最大内应力减小了46.0%，平均内应力增大了12.9%，在接触力降低5%的情况下接触长度增大了44.3%，横截面积减小了3.5%。优化密封条的应力和应变云图如图9所示。

对图9（a）和5（a）分析得出，优化密封条的接触应力比原密封条减小了60.2%。

3 装载运行效果

密封条的实际装载状态如图10所示。原密封条装载使用6个月后产生严重的非压缩变形现象，甚至产生局部龟裂，进而出现密封不严、垃圾液漏出情况，如图11所示。

图12为优化密封条使用6个月后的截面实拍图，其基本没有出现非压缩变形和龟裂现象，在各种转运工况下也未出现垃圾液漏出情况，很好地解决了原密封条存在的漏液问题。

4 结论

本工作通过Ansys有限元分析软件对密封条进行了受力变形分析和截面优化设计，针对密封条的实际转运工况进行了二次优化设计，并对优化前后的密封条进行了实际装载运行试验，得出结论如下。

（1）原密封条存在接触长度小和内应力大的问题。

（2）通过优化设计密封条的几何结构和尺寸，优化后密封条的接触长度增大了44.3%，最大应力和接触应力分别减小了46.0%和60.2%。

（3）优化密封条装载后使用时间长，不易变形，解决了垃圾转运集装箱漏液问题，其综合使用成本较低。