轿车车门玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱问题分析及其结构优化

2018-07-23 15:25赵建才吴定凯
橡胶工业 2018年8期
关键词:导槽密封条起皱

赵建才,吴定凯

(建新赵氏集团有限公司,浙江 宁波 315615)

玻璃导槽密封条是轿车车门玻璃升降系统的主要零部件之一,作为车门玻璃升降的引导部件,其兼具导向、密封、防水、防尘以及降噪等诸多功能[1]。玻璃导槽密封条在安装过程中,需要匹配钣金件的弧度,进行三维弯曲变形。如果玻璃导槽密封条结构设计不合理,其在装车时会在车门转角出现唇边波浪形皱纹(如图1所示),导致密封不严,造成车箱内漏风、噪声增大,同时影响车门外观。

图1 玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱

蔡增伟等[2]对轿车行李箱密封条起皱问题进行了CAE分析,并对密封条结构进行了优化。李欢等[3]利用非线性有限元分析软件MSC.Marc对汽车车门密封条起皱现象进行了研究,并改进了密封条结构。赵建才[4]利用基于弧长法的有限元分析方法对密封条结构进行了探讨,获得了密封条失稳起皱的临界条件,分析了密封条起皱原因,进行了密封条结构优化。

本研究利用非线性有限元分析软件MSC.Marc,建立玻璃导槽密封条三维仿真模型,分析装车过程中密封条弯曲唇边起皱的原因,并对密封条结构,尤其是唇边结构进行优化,以解决密封条弯曲唇边起皱问题。

1 玻璃导槽密封条弯曲变形模拟

1.1 几何模型建立

玻璃导槽密封条由橡胶(密实)、金属骨架和涂层(降低与玻璃的摩擦力)组成。橡胶部分分为软质胶和硬质胶,唇边为软质胶,夹持部位为硬质胶;涂层与软质胶共挤出;橡胶与金属骨架硫化粘合。玻璃导槽密封条的结构非常复杂,为便于唇边弯曲特性的分析,对密封条结构进行了简化,其结构如图2所示。

图2 玻璃导槽密封条结构示意

1.2 材料模型建立

橡胶材料是一种特殊的弹性体,在较大变形下其弹性为非线性,可采用应变能势函数来描述其力学行为,其中应用较多的应变能势函数是Mooney-Rivlin模型。

式中,C10和C01是与温度相关的材料常数,由材料试验确定[5];I1和I2分别是Cauchy-Green变形张量的第一和第二不变量。

1.3 单元类型选取

玻璃导槽密封条的弯曲变形采用三维仿真模型分析,橡胶选用84号Herrmann单元,金属骨架和涂层选用7号各向同性单元进行模拟分析。密封条的三维仿真有限元分析模型如图3所示。

图3 玻璃导槽密封条三维仿真有限元分析模型

1.4 边界条件确立

玻璃导槽密封条接触边界条件属于高度非线性,夹持部位结构复杂,其边界条件设置如下。

(1)玻璃导槽密封条长为600 mm,弯曲半径为740 mm,对密封条中间部位的金属骨架加载与Y轴方向相反的位移载荷,模拟密封条的弯曲受力情况。

(2)对密封条两端的金属骨架施加Y和Z轴方向的固定位移,防止密封条在Y和Z轴方向移动。

(3)在密封条底部与钣金接触部位施加X轴方向的固定位移,防止密封条在X轴方向移动。

1.5 起皱模拟

利用Multi-Criteria法对玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱进行模拟,结果如图4所示。

从图4可以看出,密封条弯曲中间部位唇边明显起皱,这直接影响密封效果。密封条弯曲唇边起皱属于屈曲失稳问题,造成这一现象的原因主要是唇边厚度较小、弧度较大,随着弯曲压力的增大,密封条抗横向变形的能力下降,当弯曲压力达到一定值后,密封条结构失去平衡而唇边形成波浪形皱褶。

图4 结构优化前玻璃导槽密封条弯曲唇边状态

2 玻璃导槽密封条结构优化

导致玻璃导槽密封条弯曲起皱的因素较多[6],如密封条结构、材料和车门弯曲弧度等。在密封条材料和车门弯曲弧度不变的情况下,根据密封条的装配要求,优化唇边结构,调整唇边厚度和弧度。玻璃导槽密封条的优化结构和原结构断面对比如图5所示。

图5 玻璃导槽密封条优化结构和原结构断面(局部)对比

对结构优化后的玻璃导槽密封条进行弯曲分析,密封条弯曲唇边不再出现波浪形皱纹,如图6所示。

图6 结构优化后玻璃导槽密封条弯曲唇边状态

由于唇边结构改变会引起压缩性能变化,因此需对优化结构密封条进行压缩负荷校核。玻璃导槽密封条的压缩负荷分析采用二维仿真法,变形方式为平面应变,密封条压缩负荷与压缩位移的关系曲线如图7所示(密封条长度为100 mm)。从图7可以看出,密封条最大压缩负荷为5.4 N,满足(6 2) N指标要求。

图7 结构优化后玻璃导槽压缩负荷与压缩位移关系曲线

3 实际装车验证

实际装车试验表明,结构优化后的玻璃导槽密封条弯曲唇边起皱问题解决(如图8所示)。

图8 优化结构后的玻璃导槽密封条装车效果

4 结论

运用非线性有限元分析软件MSC.Marc,对玻璃导槽密封条弯曲变形进行三维仿真分析,模拟了装车过程密封条弯曲唇边起皱状态。通过对密封条结构,尤其是唇边结构进行优化,密封条弯曲唇边不再出现起皱现象,且密封条密封性能满足要求。

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