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基于非线性有限元分析的汽车密封条装配结构优化
Assembly structure optimization of automotive sealing strip
based on the nonlinear finite element analysis
熊巧巧,何锋,陈启鹏,李屹
XIONG Qiao-qiao, HE Feng, CHEN Qi-peng, LI Yi
(贵州大学机械工程学院,贵阳550025)
摘:汽车密封条的装配结构直接影响其插拔特牲,合理的装配结构有利于密封条安装,并有效防止
脱落。建立某车型密封条有限元模型,运用非线柱有限元分析软件Marc对该车型密封条的插
拔特性进行分析,并通过优化夹持齿齿数、插拔位置和夹持齿形结构,使密封条插拔特牲满
足设计要求。
关键词:密封条;Marc;插拔特性;结构优化
中分类号:U463.83
文献标识码:A
文量绵号:1009-0134(2013)07(下)-0037-03
D:10.3969/j.ISsn.1009-0134.2013.07(下).10
0引言
响,对其结构进行优化,有效改善了密封条的插
车身密封系统中,插拔力是评价密封条可靠
拔特性。
性和安装特性的一项重要指标。良好的插拔特性1密封条非线性有限元分析
要求密封条有较小的插入力和较大的拔出力,便
密封条夹持部位的材料主要由密实胶构成,
于安装,防止使用过程中脱落。车身不同位置钣该材料具有大变形、高弹性和高延展率等特性
金厚度不同,对密封条的插拔特性产生影响也不在较小应力作用下可以产生大变形,具有典型几
同,因此,研究汽车密封条装配结枃具有重要意何非线性特征;在大应变状态下,应力应变关系
呈非线性,属于材料非线性。为得到较为理想的
国内外在密封条结构改进上已展开广泛研仿真结果,本文运用非线性有限元分析软件 Marc
究,文献]借助非线性有限元分析方法,对密封条对该密封条装配结构进行分析研究。
截面结构进行压缩负荷分析,得出在密封条几何
形状和材料属性真实情况下,非线性有限元方法
泡管状海缩体
可应用于密封条结构改进。文献[2]借助Marc有
限元分析法,对单泡管型门框密封条的插拔变形装饰条
骨架
和弯曲变形的模拟分析,得出门框密封条插拔特
性和弯曲特性结构改进的一般方法。文献[3]借
助非线性连续介质力学理论和有限元分析方法,
对车门密封条的插拔特性进行分析,得出用数值
图1密封条结构
图2密封条简化模型
模拟方法可以有效求解密封条插拔过程中的高度
非线性问题。尽管一些学者在密封条插拔特性上1.1几何模型建立
展开了许多研究,但装配结构中夹持齿齿数,钣
某车型密封条的结构如图1所示,由泡管状海
金插拔位置和钣金厚度等对插拔特性的影响,尚
绵体(单管或双管)、金属骨架(有骨架或无骨
未见到文献报道。
架)、夹持齿(由密实胶组成)和装饰条组成。
本文借助非线性有限元软件Marc,针对某车密封条的长度远大于自身的高度与宽度,在受力
型密封条装配结构进行研究,根据夹持齿齿数、
过程中,密封条沿长度方向的变形较小,按照平
插拔位置和夹持齿形等结构因素对插拨特性的影面应变问题进行建模和计算。密封条插拔特性主
日:2013-05-18
基金项目:贵阳市工业振兴科技计划项目[筑科合同(201401)12-3号];贵州省科技计划项目吟科合重大专项字(2012)601?
作者简介:熊巧巧(1989-),女,贵州贵阳人,硕士研究生,研究方向为机械设计理论及应用技术研究
第35卷第7期2013-07(下)I37
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要是夹持部位起作用,为便于研究,对密封条的1.5结果分析
截面结构进行简化,简化模型中去掉泡管状海绵
体和装饰条,简化后的结构如图2所示。
1.2橡胶材料模型选择
密实胶在受力变形中呈微可压缔材料特性,
常用的材料模型主要有 Mooney- Rivilin模型和
Ogden模型。 Mooney- Rivilin模型是在橡胶材料不
可压缩及各项同性基础上,建立起的材料模型。
Ogden模型在 Mooney- Rivilin模型的基础上,加
入控制可压缩项,直接采用主伸长率λ入作为自变
图3等效柯西应力云图图4等效柯西应力云图
量,其应变能函数定义为:
(d=1.5mm)
(d=0.7mm)
3+4.5K(T3
基于密封条非线性特性,采用更新拉格朗日
算法分析密封条仿真过程,计算结果为等效柯西
J=A123
应力。等效柯西应力又称为真实应力,其定义初
式中:N为材料常数,μn和un为与温度相关的始构型与现时构型,能够准确地描述材料响应。
材料常数,K为初始体模量,J为体积率。
根据整车厂要求,密封条插拔特性试验中所
由于 Ogden模型能够准确的描述材料在理想状用到的钣金厚度为1.5mm和0.7mm。如图3所示,
态的不可压缩、实际状态的微可压缩和可压缩三钣金厚度为d=1.5m时,钣金插入密封条的等效柯
种状态,并真实的反映橡胶的材料特性,因此,西应力云图。钣金插入密封条时,夹持齿逐渐被
研究选用 Ogden模型作为密实胶的材料模型
压缩,夹持齿与钣金间产生粘性摩擦再产生滑动
1.3单元选择
接触,应力集中区域主要在夹持齿上。图4为钣金
对于粘弹性体的櫲胶材料来说,采用规则单厚度为d=0.7mm时,钣金插入密封条的等效柯西应
元会导致数值计算的严格约束,产生体积自锁问
力云图。钣金插入密封条时,密封条插拔力大幅
题。 Herrmann E单元包含压力自由度和位移自由度减小,应力集中区域与图3相比无太大变化
度,在解决不可压缩与微可压缩弹性材料、小应
表1插拔力计算结果
力或大应变分析时,能够取得较好应力效果,选
钣金厚度
钣金厚度
用全积分 Herrmann单元
d=1.5mm)
d=0. 7mm
由于网格尺寸越小,计算结果越逼近真实,
插入力
42.5
157,.6
在二维仿真分析中,密封条网格单元尺寸一般在
拔出力
0.3-0.7mm之间。根据密封条的几何形状,网格
(N/100mm)
类型采用四节点平面应变单元,单元尺寸选为
汽车在使用过程中处于振动状态,振动使得
0.4mm。
车身上的密封条受动载荷作用。在动载荷作用
1.4边界条件确定
下,橡胶等弹塑性材料的应力集中区域易老化。
密封条接触边界条件属于高度非线性问题。
表1为密封条插拔力计算结果,当钣金厚度为
夹持部位结构复杂,精度要求高,接触边界条件1.5mm时,密封条最大插入力为42.5N/00mm和
设置的正确与否对分析结果准确性有较大影响。
最大拔出力为157.6N/100mm:钣金厚度为0.7mm
密封条的夹持齿和骨架部分均为可变形体,
时,密封条最大插入力为20.1N/100mm和最大拔
钣金为解析刚体。密封条的骨架完全被密实胶包
出力为70.8N100mm。根据汽车密封条行业标准
疆,设置密实胶与骨架间的