某轿车车门在关门时常出现车门振响现象，经过实车测试分析，发现引起车门异响的原因是玻璃撞击车门引起的。由于车门玻璃升起时，车门玻璃导槽密封条两侧将贴于玻璃，当关闭车门时，密封条与玻璃接触，其接触部位的密封条刚度不够，玻璃与车门产生撞击，从而引起车门振响，针对此类问题，本文对车门玻璃密封条刚度进行了有限元对比分析，从而为设计提供依据。由于车门玻璃导槽密封条结构复杂，在与玻璃的相互接触作用中体现出非常复杂的力学特性，而且玻璃与密封条作用过程中涉及到接触、材料、几何非线性问题，因此利用非线性功能强大的 Abaqus 有限元软件对密封条进行了结构分析与改进，以解决密封条刚度不够问题。

 

另外，本文还利用有限元前处理软件 HyperMesh 软件进行网格划分，使用 Abaqus/CAE 和 Abaqus 求解器进行有限元模型的前后处理和分析计算。

 

密封条结构非线性有限元分析

车门玻璃导槽密封条主要是上、下凸起部位与玻璃进行接触，在玻璃与密封条接触过程中，密封条的横截面厚度远大于其横截面方向的长度，因此可认为变形方式是平面应变，可按照平面应变问题来建模，以减小模型的规模，提高分析效率，建模时将密封条厚度设置为 1mm。另外，玻璃嵌入导槽内与玻璃进行相互作用，最终达到平衡位置，为考察密封条的刚度，先进行平衡位置分析，然后以平衡位置为参照进行刚度分析。有限元分析如下。

 

橡胶材料模型的建立

车门密封条为不可压缩的密实橡胶，对于橡胶材料，Abaqus 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 模型来描述橡胶材料的特性：

 

 

 

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。

 

密封条及玻璃有限元模型

玻璃相对于密封条而言，刚度无限大，故可视玻璃为刚性体，密封条为可变形体。分析时，分别使用与密封条相接触的玻璃的那一侧进行分析。

 

首先利用前处理软件 HyperMesh 对密封条进行网格划分，然后将模型导入 Abaqus 中对材料，几何类型等进行设置，密封条为变形体，取单元尺寸为 0.2mm，对于密封条这种不可压缩的橡胶材料，单元类型设为非协调模式以及杂交单元，从第三方软件导入玻璃几何模型，玻璃设为离散刚体，单元尺寸取 0.3mm，单元类型为两节点的线性平面应变单元。密封条及玻璃有限元网格见图 1。

 

 

图 1 密封条与玻璃有限元模型

 

接触条件的建立

接触对定义

定义刚度较大的玻璃作为主面，定义密封条为从面，一对接触面的法向方向相反，接触方向总是主面的法线方向。

 

接触属性定义

当表面发生接触时，在接触表面之间一般传递切向力和法向力。对于切向作用，库仑摩擦常用来描述接触面之间相互作用的摩擦模型。该模型应用摩擦系数 μ 来表征两个表面之间的摩擦行为。在表面拽力达到一个临界剪应力之前，切向运动一直保持为零，临界剪应力取决于法向接触压力，根据下面方程：

 

 

 

式中 μ—摩擦系数； P—两接触面之间的接触压力。直到接触之间的剪应力等于极限摩擦剪应力 μp 时，接触面之间才会发生相对滑动。

 

对于法向作用，Abaqus 中接触压力和间隙的默认关系是硬接触，其含义为接触面之间能够传递的接触压力的大小不受限制；当接触压力变为零或负值时，两个接触面分离，并且去掉相应节点上的接触约束。

 

另外，由于玻璃与密封条之间可以有任意的相对滑动，定义玻璃与密封条之间的接触为有限滑移。

 

定义边界条件

分别在刚体参考点上局部坐标系（见图 2、图 3）下约束 X 平动自由度以及 Z 方向旋转自由度，在全局坐标系下约束密封条与车门接触部分的 X、Y 平动自由度以及 Z 方向旋转自由度，定义不同分析步，首先对上凸起部位的密封条进行压缩分析，然后对下凸起部位的密封条进行压缩分析。

 

结果分析

密封条的压缩结果包含密封条变形后的形状和密封条对玻璃的反作用力即压缩负荷。

 

 

图 2 上凸起部位的密封条被垂直压缩后的应变图

 

 

 

 

图 3 下凸起部位的密封条被垂直压缩后的应变图

 

在图 2、图 3 中的坐标系为局部坐标系，从图 2、图 3 中可看出，上、下凸起部位的密封条被压缩时，最大应变发生在如图所示的区域，说明该部位主要承受压缩负荷，由于关门时主要是密封条上凸起部位与玻璃相互作用的，因此，主要考察上凸起部位密封条的刚度。

 

 

图 4 旧方案密封条的压缩负荷

 

在图 4 中，对于上凸起部位密封条而言，横坐标代表压缩量，即初始位置与压缩量的差值，而对于下凸起部位的密封条而言，横坐标表示玻璃相对于图 2 中所建立的局部坐标系的位置；纵坐标为密封条对车门的反作用力即压缩负荷。从图中可以看出，压缩负荷与压缩量的关系为非线性关系。为求得的横坐标位置即为玻璃相对于图2 中所建立的局部坐标系下的与密封条相互作用后的平衡位置，利用以下 Matlab 命令即可求出图中两条拟合曲线交点的横坐标，并代入拟合曲线求得交点的纵坐标，以下均同。

 

syms x

x = solve (y1-y2)

x, y = 2.6274, 0.2044

为考察上凸起部位密封条的刚度，将上凸起部位密封条再压缩 1.2mm，从图 4 中可得出压缩 1.2mm 所需要的力。

x, y = 3.8274，0.406723

对应的刚度值 Ky=0.406723/1.2e-3=338.9N/m

 

结构改进与仿真

通过对密封条压缩变形特点的分析可知，上凸起部位的密封条其壁厚及形状是影响压缩负荷的主要原因之一，从而影响其刚度，因此，将密封条进行改进设计，主要增加上凸起部位密封条的壁厚，且增大最大应变附近的过渡圆角，同时增加下凸起部位密封条壁厚，改进后的密封条几何模型见图 5，并对改进后的密封条进行分析，改进后的密封条的压缩负荷见图 6。

 

 

a) 改进前 b) 改进后

图 5 改进前后的密封条有限元模型

 

 

图 6 改进后的密封条的压缩负荷

 

平 衡 位 置 坐 标 为 x,y=2.7188,0.3538 ， 对 上 凸 起 部 位 的 密 封 条 再 压 缩 1.2mm 后 的 坐 标 为x,y=3.9188,0.761039，对应的刚度 Ky=0.761039/1.2e-3=634.2 N/m 与改进前的刚度值相比，提高了 87.1%，改进方案明显提高了刚度。

 

结论

本文通过对密封条的刚度对比分析可知，新方案密封条刚度提高了 87.1%，说明改进的方案能较大的提高密封条的刚度，对密封条结构设计有很大指导作用。

 

另外，基于该有限元对比分析方法得出的压缩负荷与压缩量的变化关系，能够在密封条结构设计阶段中，评价结构设计是否合理的一个评价指标，避免了传统设计中常需要反复修改、试验、在修改，达到缩短产品设计周期和节约生产成本的目的。

 

资料来源：达索官方