翻译 - 对桑塔纳的密封结构在关门闭力的作用下的影响的分析

对桑塔纳的密封结构在关门闭力的作用下的影响的分析赵建才 周志新 朱训申 上海交通大学文摘为了评估密闭结构在关门应力作用下的影响，这篇文章的作者推荐使用非线性有限元方法，来分析桑塔纳汽车的密封门压缩变形（桑塔纳是上海大众汽车有限公司的一种汽车产品） 。计算的结果显示，密闭门的压缩加载量比标准的上海大众汽车的压缩加载量要大，所以说密闭门结构需要被优化。这次计算的结果是通过实验来证明的。介绍在确定门的关闭力的时候，门的密闭系统起了非常重要的作用。福特汽车公司的一项研究结果显示，克服阻力的力，占绝大部分的门的关闭力，密闭阻力中有包含大约 35%到 50%的力，是用来关闭前门的1，也就是说，密闭门的压缩偏转值对门的关闭有主要的影响。这些数值必须在生产的过程中受到监控,以确保密封门的数据不会超出设计范围的要求。然而，桑塔纳的关闭门力的值比预期的值要大，并且有许多其他影响门的关闭力。比如，密封通气孔的大小和间距，客舱空气压力，锁的设计等等。事实上，以上的因素，对汽车门的关闭力都有一定的影响。对于上面所说的因素2-3，专家已经做了许多相关的研究，但对汽车前门关闭力上密闭压缩偏转的影响的研究，还不是很充分。因此，此次研究的目的是用数值模拟方法和实验来分析汽车前门关闭力的密封偏转影响。此次研究的对像是桑塔纳的短B2的密封门。这次研究B2密封性能所使用的方法是非线性有限元方法。计算的结果显示，B2密封的压缩载荷值比标准的上海大众汽车的值要大，所以B2密封的结构需要优化，实验验证了这次计算的结果。用非线性有限元为B2建模B2密闭的结构特点-B2密闭一般是由有附加固体载体的海绵球组成的，如图1显示图 1B2 密封结构选择海绵球的形状和大小的根据，是密封口的类型和大小。圆的海绵球一般用于B2的密封。海绵球是用来密封50 %- 70%的压缩载荷的。实现这一目的的相对力量与它的门关闭力是相关的。海绵球材料的厚度和尺寸决定了这种相对力量。事实上，海绵球提供了一个柔软、不透水密封环境，这个密封环境可以取代大小上的差异。为了去除在车门关闭的时候，遗留在门的密闭系统里的空气，空气通风洞的工作时间间隔，必须根据密闭系统来设计。由一个金属插入而组成的固相载体，这个载体形成了一个 U 形状，在挤出的过程中被密封在密集的橡胶中。加强皮筋的形成是为了能在凸缘上保持密封的状态。辅助密集的海绵球和凸缘通常用于提高密封的等级。橡胶可以用 U 形底座，或者是在 U形载体周围加海绵胶条，来防止由于通过毛细管而渗漏出来的水。这里有两种常用的金属刀片类型，一种是冲压刚，另一种是纵向弯曲的股纤维。用于门密封和海绵部分的材料，是三元乙丙橡胶聚合物，三元乙丙橡胶化合物具有良好的长期耐磨性和耐臭氧性。这些密集的化合物都是三元乙丙橡胶，然而海绵化合物中可能含有一小部分氯丁橡胶，这一小部分氯丁橡胶会在固化的过程，和附件的粘合成型的过程提供一些很大的能量。三元乙丙橡胶化合物基本上可以建模为粘弹性材料，它的这些相关属性取决于它所处在的温度和时间。更确切地说，三元乙丙橡胶化合物有滞后，蠕变，松弛的特点。对这些材料的属性是有要求的，所以对时间或频率依赖性的分析是必要的，比如说传输速率或密封振动分析。然而，对于准静态分析而言，只有对静态的密集的海绵橡胶材料的属性，才会有一定的要求。三元乙丙橡胶化合物可以成型为各种同性弹性的材料。在弹性体的有限元分析中，材料的模型是通过不同形式的应变能量密度函数来定义的，这种材料也可以被称为超弹性材料。常用的应变能函数，已经在它的拉伸比函数和直接拉伸比中有表示，这三个应变不变量是在材料完全可压缩的情况下，三元乙丙海绵橡胶的高度可压属性，是由泡沫模型表示的，这个性能是由应变能密度函数定义的。如下所示：根据海绵材料体积的测试数据的定义，这三个泡沫参数都是由单纯形法计算表示出来的。参数（N = 3）计算的方法如下图所示：表单上的应变能量的密度用于定义密集橡胶的压缩属性，这个属性是由穆尼函数给出来的三元乙丙橡胶的两个密度材料常数，都是由非线性最小二乘的单轴和剪切试验数据拟合所定义的。参数计算如下图所示：B2密封的几何模型和网格建模用于模拟 B2密封压缩的有限元模型描述了一个二维的图像，这是一个在密封部分中的平面应变单元。该片金属表面被描述为无限的刚性边界，由于该海绵球与关门的应力是有主要关系的，B2 密封的结构也是可以被简化的，如图2所显示，因此，简化模型的计算结果与原始模型的数据是相吻合的。同时，这样的话可以节约出来大量实验计算的时间，提高了实验的效率。图2 B2密封的简化模型图 3 B2密封段的初始有限元网格为了能够分析 B2密封结构，以及建立一个适当的有限元网格，几何图形必须从 CAD 线数据中获得。一个二 三维有限元网格的未变形的密封，如图3显示。四节点平面应变单元可以被用于B2密封结构的分析，海绵橡胶可以被11号全集成元件描述，密集橡胶可以被80号全& 赫尔曼配方元素描述。结果与讨论密封件的分析结果主要有变形形状（图4所示）和 B2密封压缩负载荷变形属性（图5所示）图4 B2密封在7mm 垂直压缩下的变形的配置图5 B2密封载荷压缩曲线图图4和图5可以帮助密闭设计工程师估算结果，还可以帮他们了解 B2密封结构设计的压缩变形，以及给他们一个方向，如果设计中存在着一些错误，就可以重新设计密闭结构。可以由图4推断出，当密闭结构处在在7mm 垂直压缩下时，结构的变形形状最大应变是65%。图5显示了非线性负载和 B2密封结构的关系。当密封式为200毫米时，密闭机构的最大压缩加载在7mm 垂直压缩下是45.9牛。然而，为了能够确定上海大众汽车公司的企业标准值，当 B2密封式是200mm 时，密闭结构在7mm 垂直压缩下的最大压缩载荷是33牛，误差为5牛。这就是为什么桑塔纳的关门闭力比预期的要大。因此，B2密封结构需要优化。实践利用该套实验装置，如图5所示，当压缩的速率是30mm/min 时，压缩测试就可以进行了。B2密封样品为100mm长，他们的数量为4，测试的结果在图6中显示。图6 实验力和以前的 B2密封压缩曲线的关系图如图6所显示，在相同的实验环境下，这里有不同的密封样品和不同的实验数据。换句话说，实验错误与许多其他因素有关，比如说形状畸变，实验器材的初始设置。因为在相同的压缩条件下，在长度和方向都相同的截面上，200mm 密闭结构的长密封压缩载荷值，是100mm 密闭结构的长密封压缩载荷值的两倍。所以，100mm 的密闭结构的实验数据可以更换成200mm 的密闭机构的数据，这个结果可以与 MSC MARC 有限元代码的计算结果相比较，如图7所示图7 对计算负荷压缩曲线 B2密封试验的比较图图7显示，当压缩量小于3mm 时，B2 密封结构的计算结果与实验结果是有所不同的，当压缩量大于3mm 时，B2密封结构的实验结果与计算结果又有一致的结果。B2密封结构的计算结果与实验结果有所不同的原因，如下面的原因所示：1 泡沫模型的材料常数不能够完全地模拟出海绵橡胶的特性2 实验的边界条件不能够完全地与有限元分析的边界条件达到相同的水平3 整个实验的过程中存在着一些错误或者是误差结论B2的密闭结构的非线性有限元分析，为密封设计的性能评估提供了真实有效的信息，说明了密封压缩负荷挠度响应是影响车门关闭力的关键因素之一。计算的结果显示，B2的密闭结构的压缩载荷是超过上海大众汽车公司的企业标准值的。所以说 B2的密封结构需要优化。B2密闭的实验结果表明，在计算结果与实验结果之间有一致的结论，没有不同的地方，所以说该仿真方法是真实有效的。参考1.D.A. Wagner, K.N. Morman, J.Y. Gur, et al, Nonlinear analysis of automotive door weatherstrip seals, Finite Elements in Analysis and Design, 28:33-50(1997)2. Y. Gur, K.N. Morman, Modeling the dissipative effect of seal air hole spacing and size on door closing effort, SAE 9719013.Y. Gur, K.N. Morman, N. Singh, Analysis of door and glass run seal systems for aspiration, SAE9719024. J.L. Rees, Performance aspects of sponge-dense rubber body s