载货汽车门密封系统的结构优化设计

载货汽车门密封系统的结构优化设计4摘要随着我国经济的快速发展，汽车产业作为国民经济的一个重要的支柱产业在近年内得到了快速的发展。随着技术水平和制造工艺的上升，消费者对汽车的舒适性能提出了更为严格的要求。而汽车的密封性能是评价汽车舒适性的一项重要指标，其中门密封系统是汽车车身密封中十分重要的一环，它密封性能的好坏将对乘客舱的舒适性产生很大的影响。在门密封系统中门密封条对密封性能影响最大。车门密封条在隔绝车内外空间，防止车外空间的尘土、雨水侵入车厢，同时也在汽车高速行驶时阻断车内外空气流动有很大作用，提高汽车的乘坐舒适性。门密封条大多由EPDM橡胶材料制成，同时为了保证密封的性能，密封条通常具有复杂的截面形状。由于密封条材料和结构的复杂性，使得新密封条的开发流程十分的繁琐，需要进行重复多次的实验才能定型生产。但是近年来计算机技术、非线性材料力学、有限元法和计算机图学得发展，使得在生产前就可以对其进行计算机仿真分析，对于发现其设计缺陷和优化其密封性能十分有利，提高了设计的品质与效率，同时也有利于降低开发成本.国外先进的密封条生产企业很早就开始了这方面的研究了，我国的密封条CAE技术起步较晚，只有少数的企业进行这方面的研究。为了提升我国密封条企业的竞争能力。本文主要涉及新密封条产品的开发，主要对象为载货汽车的门密封条，在设计中将使用ABAQUS软件对密封条结构进行分析，改善密封条的压缩负荷和压缩变形。关键词：门密封条，设计，仿真分析，有限元，结构优化AbstractWith the development of economy of our country,the automobile industry in China is rapidy developing in recent years.With the development of engineering level and manufacturing technology ,the customers have stricter demand in comfort.And the sealing performances an important evaluating index of the comfort of automobile,especially the doors sealing is very important.The doors sealing can determine the comfort of customer compartment.But the automotive door weather strip are the most important.The automotive door weather strip in isolated the cars inside and outside,preventing the dust and rainwater from getting in inside of the customer compartment,besides it also can prevent air flowing during the in a high speed,all above can improve the comfort of the customer compartment.The automotive door weather strip usually is made by EPDM,and to keep the sealing performances,the strip usually has a complex cross section.Because of the material and cross section of the strip,making the exploitation progress very complex,it needs to test again and again until it satisfy the performances.But computer technique,unlinear mechanics of materials,finite element technique and the CAD technique fast development,it makes we can simulate the strip before the manufacture,these have many benefit on exploitation,such as we can find the design flaw and optimize the structure of the strip,improve the product quality and deaign efficiency,and reduce development costs.Advanced strip manufacturing enterprises of the developed country conducted this flied long time ago,the applying of CAE technique in China is not long.There are several enterprises use this technique.To improve the competitiveness of the strip manufacture industry in China.This paper introduce the exploitation of the truck door weather strip,in progress I use the ABAQUS program to analyse the strips structure,optimizing the compression load and the deformation of compression.Key words:door weather strip,design,simulate,finite element,Structure optimize目 录摘要1Abstract21.绪论11.1课题背景11.2课题研究目的和意义21.3课题研究内容22.密封条的介绍32.1密封条的发展32.2密封产业现状32.3密封条的材料42.4密封条的分类42.5密封条的安装42.6密封条的尺寸公差要求52.7密封条的断面设计52.9门密封条简介62.10小结63.门密封条的设计73.1密封条道数的确定83.2密封条界面更形式的确定93.3车身间隙及密封条压缩量的确认103.3.1车身间隙的确定103.3.2密封条压缩量的确定113.4密封条与周边相关零部件连接方式的确认113.5密封条断面生产的可行性确定123.6密封条数据设计123.6.1门洞密封条的数据设计133.6.2周边密封条1数据设计143.6.3周边密封条2的数据设计153.7小结164.密封条的有限元分析理论174.1有限理论的发展174.2有限理论简介184.3橡胶材料与有限元194.3.1线性有限元问题与非线性有限元问题194.3.2橡胶材料的有限元分析194.4有限元分析软件ABAQUS204.4.1ABAQUS简介204.4.2ABAQUS分析流程224.5小结225.门密封条的结构优化235.1密封条的材料模型235.1.1密实橡胶的材料模型235.1.2海绵橡胶材料模型245.2前处理245.2.1模型分析245.2.2网格划分与单元的选择245.2.3材料特性定义255.2.4接触面的定义255.2.5边界条件的设定255.3分析结果265.3.1门洞密封条的分析结果265.3.2周边密封条1的结果分析275.3.3周边密封条2的结果分析285.4结构优化295.5优化后的密封条结构分析315.5.1门洞密封条优化后分析315.5.2周边密封条2优化后分析325.5.3周边密封条2优化后分析335.5.4综述345.6密封条的一般优化方法介绍345.7密封条的排气孔确定355.7小结35总结与展望36参考文献37致谢391.绪论1.1课题背景随着我国经济的快速发展，我国的汽车产业也得到了巨大的发展，但是在发展的同时，我国的汽车产业也面临巨大的挑战，随着我国改革开放的程度加深，越来越多的外国汽车企业进入我国。但汽车产业作为我国国民经济的一项支柱产业，必须要有自己的核心技术，才能在市场中有竞争力。随着汽车制造工艺的上升，和国民购买力的上升，消费者对汽车提出了更为严格的要求，特别是汽车的舒适性，现今一辆车舒适性的好坏，将对其销量产生很大的影响。密封性作为舒适性的一项重要评价指标，得到了各个汽车企业的重视。汽车车门的密封性能的好坏，将影响乘客对乘客车厢舒适度的体验。车门密封条作为汽车密封的核心部分，对车门关门力、汽车高速静音性能等消费者对汽车质量的感知有很大的影响作用，可以说门密封系统的好坏决定了，车厢的密封性能。由于门密封条安装部位的特殊性，这就对密封条的材料选择产生了很大限定，当今的门密封条主要才要EPDM橡胶材料。同时为了保证密封性能，密封条通常有复杂的截面形状，还有门密封条的密封部分大都由海绵橡胶（即经过发泡处理的EPDM橡胶）。由于密封条材料和结构的特殊性，使得密封条的开发也变得十分的繁复，一个新的密封条要定型生产，必须要开发出样品的模具，得到实际产品，从而用样品进行多次的实验测试，验证其是否满足车门的密封要求（通常有主机厂提出这个要求），如不能满足设计要求就要更改设计，重新开发新的模具并制造样品，重新进行验证，现在看这需要耗费很大的精力，同时抬高了密封条的生产成本。随着计算机仿真技术的发展，工程师们开始在计算机上模拟各种各样实验测试。这些使得工程师们在密封条生产前，就可以对密封条进行各项分析。这让设计者在样品生产前就可以的到其设计的密封条的部分缺陷，像压缩负荷不满足主机厂要求，在密封条转角处出现褶皱等，这让我们可以减去很多后期验证这些性能的实验，这就使得我们不需要在后期对密封条进行大量的测试试验了，减小了实验工作量。这个非常有效的提高了密封条的设计效率，与设计品质，最重要的是使得密封条的开发成本得到了很好的控制。这些技术已在国外先进的密封条制造企业得到了大范围的应用。但在中国国内具有这些技术能力的企业只有少数的几家而已，这将对我国的密封条生产企业产生非常不利的影响，为了提高我国汽车密封条行业的竞争水平，这里我将使用先进的有限元分析软件ABAQUS对密封条的结构进行分析，并提出优化的方案。本文目的为提出一般的密封条设计方案。相信我国的密封条行业今后一定能国外企业比肩。1.2课题研究目的和意义汽车车门密封条在车身中起密封介质、隔离空间和装饰等作用。密封条的生产材料、结构和制造工艺直接影响其功能性、可靠性和装饰性，进而影响到汽车的舒适性和安全性。因此，汽车的密封性非常重要，现在已经成了评价一辆车的重要指标之一。为了保证密封条设计更为的有效率，更加的节约成本，传统的密封条设计已经不能满足现代汽车制造行业的需要了。随着计算机科学、非线性材料力学、有限元法的发展，使得在密封条在生产前就对其进行分析成为可能，从而能有效的提高设计效率，同时降低密封条的开发成本。本文将采用有限元分析的方法对载货汽车门密封条进行结构的优化。建立其几何模型和材料模型，并给出仿真所需的边界条件。通过有限元软件分析其的压缩及弯曲变形，根据分析所得结果，提出门密封条的优化方案。提高设计的质量及降低开发成本。1.3课题研究内容研究目标：运用有限元软件，的密封条的压缩及弯曲进行仿真分析，得到压缩条件下，密封条的变形形状，接触面的压力；和弯曲条件下密封条的变形形状，并根据这些结果，提出密封条的优化方案，对设计进行优化。研究内容：(1)运用非线性有限元法，对密封条进行合理的简化，建立分析边界条件，划分网格；(2)运用Ogden模型分别建立密实橡胶的材料模型和海绵橡胶的材料模型；(3)对设计的密封条进行结构优化；(4)分析优化后密封条的评价条件。2.密封条的介绍2.1密封条的发展在最初汽车出现的几十年里，车身密封技术基本没有发展。据相关文献称，最早的密封条有硬毡制成，它应用于1904年制成的Cadillac汽车的侧窗玻璃密封。直到上个世纪20年代末才出现运用橡胶材料来制造密封条的技术。大约在1925年用于汽车车身的海绵橡胶密封条才开始出现，但是人们直到40年度末还在使用一般的密实橡胶，这些密封条具有简单几何形状，由于其材料为天然橡胶，所以采用挤出成形的技术，并在蒸汽硫化罐中硫化，尺寸较小的零件是在模具中压制成形的，活动的玻璃导槽的密封条采用在表面粘上一层织物的方法制造，这这工艺至今仍在部分密封条上使用。从1950年开始，随着人们对汽车车身气候适应性和驾驶情趣的要求的不断提高，车门密封条才开始使用海绵橡胶来制造。60年代末，玻璃导槽密封条开始使用植绒的工艺来制造，此种技术在美国首先投入使用，稍后推广到欧洲，60年代得到大范围使用。大约与此同时，出现了由PVC包覆金属骨架，在粘贴上海绵橡胶的门框密封条。70年代，密实橡胶与海绵橡胶复合挤出的工艺替代了海绵橡胶粘贴的工艺，同时发动机盖和行李舱盖的密封条也大多采用此技术。随着近年里我国汽车工业的发展，对密封条的需求也越来越大，作为汽车相关的密封条制造业，多次引进国外技术，和国外企业进行合资等方式，经过20多年的发展，我国的密封条制造业已经具备了一定的基础与规模，能基本上满足国内汽车对密封的需求。2.2密封产业现状经过多年的发展，我国目前在汽车密封条结构设计技术方面,国内密封条企业已有长足的进步。汽车密封条的结构设计技术经过十多年来图加工、测绘设计和来样仿制的初级设计阶段后,近年来数家先进企业己经成功推广应用了饭金件的计算机数据带自主独立设计密封条三维数字模型,做到了与新型汽车的同步设计,同步开发,现己不需要密封条来图来样,真正研制出我国自行开发设计的汽车密封条。并在国内新车型开发和老车型改造中取得了多次成功。同时通过汽车密封条计算机三维设计、工艺装备(尤其是接角模具)的三维设计和模具等电加工机床计算机间进行局域联网,大大缩短了汽车密封条的研制开发周期,也显著提高了密封条研制开发的技术水平。在国外先进的汽车密封条企业中,汽车密封条设计技术已经达到从汽车车身饭金件设计一密封条设计一模具设计一密封条模拟生产一装车效果一密封条及模具设计修改一密封条生产,整个循环过程全采用计算机数字模拟研制开发方法,该方法更先进,可降低成本和缩短研制周期。所以我国密封条设计和开发技术与国际水平相比还有差距。据悉国内有些企业正准备开始尝试开发此计算机技术。2.3密封条的材料密封条由于安装位置遍布车身各个部分，因此对材料有一定的耐候、耐老化性能，较好的机械强度、伸长率和压缩变形及耐寒性。根据主体部分的使用范围，温度适应性要求很高，从零下40oC到零上80oC都要求有良好的性能。胶带长时间暴露在空气中而不产生裂纹，所以对材料提出了耐臭氧老化的要求。密封条装饰件要求在大气臭氧浓度下至少稳定3年以上，一般对臭氧氧化不稳定的橡胶材料不考虑。密封条产品的原材料，有EPDM、PVC、热塑性弹性体如TPV等。EPDM材料具有良好的加工性，可以与钢带、钢丝编织带、绒布、植绒、PU涂层、有机硅涂层等复合，保证车辆与外界的防水、防尘、隔音、隔热、减振和装饰作用，一般情况下EPDM密封条使用寿命可达十几年，但成本较高，且报废零件无法循环使用。PVC密封条具有材料成本低、加工方便等优势，但其缺陷是耐候性差，易出现龟裂和变硬的问题。随着欧洲法规对于汽车零部件回收要求的不断提高，热塑性弹性体TPV逐渐成为设计密封条所选用的原材料，但是由于工艺、设备、成本等诸多问题，热塑性弹性体密封条目前在国内的应用还较为有限。由于目前我国的技术水平限制，国内大多数的门密封条采用EPDM橡胶，而且在国内EPDM橡胶材料的供应商数量非常有限，所以大部分密封条原材料大都是从国外进口的，这一现状很大制约了我国密封条制造业的发展。所以在发达国家淘汰EPDM橡胶之际，国内的密封条原材料企业，也应该跟紧国际先进技术，做到在新技术上面不落后。为了保证密封条的各项性能，通常会在原料中添加各种添加剂，像抗氧化剂、防老剂、特种配合剂、软化剂等，但添加剂的量应该进行控制，以不影响胶料的性能为准。2.4密封条的分类这里我按照密封条在车身上的不同位置作为分类标准（此外还有按密封条材料、工艺等进行分类的）。有发动机舱密封条、风挡密封条、侧门密封条、行李舱密封条、天窗密封条。在所有这些密封条中，侧门密封条对车身密封性能的影响最大，是车身密封性的一重要评价指标侧门密封条又有门框密封条、门洞密封条、玻璃导槽、内外水切。门洞密封条结构比较复杂，有EPDM密实橡胶、EPDM海绵橡胶和钢骨架三部分组成。内外水切也由EPDM密实橡胶、钢骨架组成但是为了减少玻璃运动的阻力，一般在与玻璃接触的部分植绒。2.5密封条的安装（1）嵌入固定法：利用密封条本身的凹凸部分过盈插入门或窗的相应部位来达到固定的目的。此方法操作简单,但易脱落，一般只宜用于载货汽车上。（2）机械固定法：此方法虽然牢固可靠，但工序复杂，成本高，多用于载重汽车和大型客车上。采用嵌入固定法或机械固定法视使用的场合与要求而定，如果设计恰当，嵌入固定法更能表现它的优点，占用位置小，而且紧凑经济。（3）粘合固定法：采用胶粘剂或填入腻子直接将橡胶密封条与金属粘合，工艺简单，效率高且牢固，一般采用的胶粘剂和腻子是JX一19胶粘剂，它具有较好的初始粘力，在常温下不需要加压可进行粘合，或推荐用SL一4多用途结构胶粘剂，其耐热老化、耐湿老化、耐温度交变、耐振动性好，可作非片面粘合固定用，也可以用JN一8风窗密封胶，它以一种解聚丁基橡胶为主体，并配入低分子量的聚异丁烯及填充物，用于汽车挡风玻璃和胶条的密封，能防风、防水、防寒，也可以用JN一(S一2)密封胶,即以液态聚硫橡胶为主体，适用于门窗的顶面和立面粘合固定操作用。2.6密封条的尺寸公差要求大部分的橡胶密封条是以压出硫化，所以属橡胶压出制品的范畴，除要求严格控制胶料、工艺及性能外，对作复合制品时还需具有精密尺寸的支撑体骨架材料如弹簧钢片骨架等。骨架钢片厚度一般为0.3rnm以，在超高频硫化当中，骨架的形状尺寸牵涉到高频渗透金属表面层的深度，在感应升温时避免微波反射，遮断传送回路，并且其所示状态在高频硫化的特定条件下，为避免发火花造成着火。一般在金属件的表面不应有水分、油等，以防产品产生气泡和腐蚀现象。另外，金属骨架材料在使用中要考虑其所处空间的部位，以防高频硫化中电场电路中断。除海绵外各种形式橡胶密封条根据使用要求，尺寸公差执行GB3672一83橡胶空心模压和压制制品尺寸公差，其中装配尺寸公差按E2，非装配尺寸公差按E3执行，长度尺寸公差按表中L3执行。海绵压出制品截面和长度尺寸公差按ISO3302一6执行。作为压出制品的橡胶密封条，其生产中的制品尺寸公差要求比模压橡胶密封制品要大，胶料在强制通过口型后发生膨胀并在随后的硫化过程中发生收缩和变形，一般软的硫化胶(即硬度50IRHD)比硬度大的硫化胶需要更大的公差，在橡胶密封条横截面的尺寸中一般要限定二个公差即可，关键部位尺寸要严，其它部分可酌情宽一些，公差一般是选取对称分布。2.7密封条的断面设计橡胶密封条的断面结构一般包括密封和安装两个主体部分，有时也在产品剖面加有备注装饰面的要求，如植绒、涂膜等，密封部分根据密封空间位置及其大小，起密封部分的受压方向和最适宜的压缩量来进行设计或选型；安装部分则取决于固定部位尺寸的大小和固定的方式，固定方式为嵌入固定、机械(铆钉)固定和粘合固定等。密封胶条断面形状设计有很大的选择性，形状设计中如靠唇形起密封作用时，唇的腰部尺寸应沿着根部逐渐加厚以保证密封唇有足够的弹性和接触压力，减少压缩时的变形。对于空腔形的设计，其壁不能过厚也不宜过薄，厚的弹性虽好但关闭时费力，太薄则密封部位缺乏挺性而易变形。橡胶密封条主要是利用本体结构中唇空腔凸缘等部位的弹性与组装的装饰件(玻璃或金属件)等接触物体的表面产生接触压力而起到密封和装饰作用，一般在-5080oC范围内使用。2.9门密封条简介汽车车身密封性设计是针对车身室内居住性环境改善,提高车身防腐蚀性要求而进行的。主要包括：防止雨(水)、尘土、污染气体侵入室内的密封性设计；防止振动、噪声、热量侵入室内的密封性设计;防止腐蚀介质侵蚀车身板件密封性设计。按照以上密封性要求及密封结构特点，一般将密封性设计分为静态密封和动态密封两类。对车身上的门、窗、孔盖等活动部位之间的配合间隙进行密封，称为动态密封。动态密封是靠密封条的压缩变形来填充构件间的缝隙，使车身室内与外界隔绝，仅能防止风、雨和尘土侵人室内,提高隔音和隔热性能，以保持车内环境，同时还能缓和车门关闭时的冲击力和车身在行驶中的振动。就普通汽车而言，所使用的门密封系统,主要是使用海绵橡胶+密实橡胶+金属骨架复合结构的门框密封条，其接头处于门槛部位。而轿车一般配有多级门密封系统：其内层密封系统采用海绵橡胶密封管同外表面包敷绒布的棱边保护条粘接结构的密封条：中层密封系统是采用带双面不干胶带的海绵橡胶密封条，中层密封系统对降低噪音起到了重要的作用；外层密封系统采用带有完整的玻璃导槽结构的密封条，用于密闭车身顶盖与门框之间的间隙。这种密封条的主要特点是其密封部位在装卡部位的侧部,装卡方向与密封受力方向相垂直,在使用过程中密封条存在从车身板上脱落的可能。决定车门密封条的密封性、安装牢固性及车门关闭力大小的因素主要是材料硬度、材料密度、断面几何形状及金属骨架类型和强度等。2.10小结本章介绍了密封条的发展，及密封条产业和运用的现状，初步介绍了门密封条。3.门密封条的设计车门密封根据其密封部位可分为车门与门框之间的密封，以及门窗玻璃的密封。本文主要的研究对象为车门与门框之间的密封。车门与门框之间在结构设计中应具有一定的间隙，通过在其间安装橡胶密封条来实现车室内部与外界的隔离。防止风、雨水、灰尘和噪声等侵入车内，并对车门的关闭起到缓冲作用，防止车辆在行驶中车门发生振动。图3-1车门与门框之间密封条的装配方式如图3-1为车门与门框之间的密封结构及密封条的装配方式。一般根据轿车车身的密封性能要求，采用单层密封或双层密封。密封条根据设计的需要，可以安装在车门上，亦可以安装在门框上,或者两方面并用。车门密封条根据其装配固定方式一般有粘着式、嵌入式、卡夹式和镶嵌式，粘着式是采用粘接剂将密封条固定在密封部位，粘着面应平整，多用于车门和窗框上。嵌入式是将密封条机械地嵌入构件的断面内，这种安装方式要求构件断面有安装固定槽座，因而多用于冷拉型材或滚压成形的车门窗框上。卡夹式是将金属或塑料的卡夹植入密封条中，再将卡夹插入车门侧板的孔口中，从而实现密封条固定。对于平整光滑的密封面来说这种安装方法简便。镶嵌式密封条由U形夹持件和密封条两部分组成。通过夹持件的夹持力使密封条固定在车门门框的止口上或车身其他部位的凸缘上，能掩盖凸缘的毛边。若在夹持件的外表面压制出花纹或包覆其他装饰材料，对车身内饰边缘具有装饰作用。由于这种密封条安装可靠、方便、密封连续性好，在车身密封设计中被广泛使用。镶嵌式密封条一般用于车门和舱盖等部位的密封。对车门来说,要求密封条沿门框四周能与车门内侧均衡柔软地接触。在设计中，首先应考虑车门在关闭状态下，密封条是如何接触受力和被压缩的，应保持压缩接触面和接触方向的一致性，这一点与车门的形状和铰链的位置有关。此外，还应考虑车辆行驶中车门的振动情况，以免密封条在使用中变扭曲而影响密封性能，或被撕脱。车门密封条的断面形状一般分中空形和唇形两种，如图3-2所示。中空密封条是通过空腔的变形来调节面接触强度的,其密封性及缓冲防振性均好,多作为结构的主要密封部分。唇形密封条一般为线接触,接触强度主要取决于根部的厚度。密封条断面形状的设计应考虑接触强度、密封条的安装部位,以及车门的结构形式和密封要求,而且,为保证良好的密封效果,根据密封间隙合理选择中空形密封条的压缩量或唇形密封条的弯曲贴紧程度是非常重要的。图3-2 密封条的装配固定方式图3-3 门密封条的断面形式3.1密封条道数的确定现代汽车对密封的性能要求越来越高，在所有提升车门密封性能的方法中，增加密封条的道数能明显的提高密封性能，但是增加密封条的道数会增加整车的成本，将使汽车售价升高，所以多道密封条主要应用在高档轿车上。而在经济型车而言，一道密封条已经能满足密封的要求。作为生产工具的载货汽车，为了提升其性价比，通常我们都安装一道密封条。不过一道密封条的工作负荷比较大，所以我们可以在密封比较薄弱的部位安装有阻隔作用的周边密封条。根据我们对载货汽车的市场定位，所以在载货汽车的门密封上，我们采用一道半密封条：一道门洞密封条，半道周边密封条。根据对标车型我们选择周边密封条安装在侧围钣金上，即所有密封条都安装在车身上。3.2密封条界面更形式的确定门洞密封条，周边密封条是本文设计的主要内容。门洞密封条顾名思义就是安装在门洞上的密封条。门洞密封条不仅要保证密封性，还要承受关门时的冲击力，因此它要有弹性，也要有韧性主要由密实橡胶基体和海绵橡胶泡管两部分组成。密实橡胶内有金属骨架，起到加强胶条定型和固定作用。海绵橡胶泡管柔软并且富有弹性，骑着受压变形，卸压反弹的功能。此外，因为与内饰之间相隔很近，常在靠近驾驶室一侧有唇边与内饰配合，在其上有色彩或是贴有织物，起到装饰作用。门洞密封条的泡管形式有双泡密封条、单泡密封条、无泡密封条。图3-4 门洞密封条的泡管形式车门头道密封条并不是每辆车都有，为了降低汽车制造成本，通常只有一道密封条，但是为了提升密封效果，就会安装上周边密封条，周边密封条的主要起是阻隔作用，减轻在门洞密封条在密封环境比较恶劣的条件下的工作负荷，提高门的密封性能。车门周边密封条结构有两种,一种为全海绵胶泡管，另一种由密实胶基体和海绵胶组成。这里设计密封条要安装车型的对标车型为福特Fo H476，这里我参考这个车型的部分数据进行密封条的初始设计。由于门洞密封条是安装在钣金的接头处，所以需要有夹持部分；同时根据测量数据，需要密封的间隙都在15mm以上，根据企业的标注，这里密封条泡管形式采用双炮管。在门密封环境较为恶劣的上测部分和车门的前侧部分，在这两个部分气流比较复杂，同时尘土和雨水的干扰比较严重，所以在这两个部位安装周边密封条，提升车门的密封品质。由于周边密封条的住主要是阻挡的作用，所以周边密封条不需要有比较复杂的结构了。同时由于安装部位比较特殊，在钣金过度的曲面形状比较复杂不利于装配，所以为了装配的方便，周边密封条设计为两段。典型截面的定型：门洞密封条：采用双炮管结构；周边密封条窗框处：单泡管结构；周边密封条铰链处：无泡管结构。3.3车身间隙及密封条压缩量的确认3.3.1车身间隙的确定1）门洞密封条对于门洞密封条来说，这里的车身间隙为侧围钣金和车门密封面钣金之间的间隙。这个间隙即为密封间隙，在密封条压缩方向上的间隙值d0是需要保证的结构参数。图3-5 车门密封的结构由整车企业提供的数据，可以得到此间隙值d0得大小为：门槛处：16.995mm、16.935mm、16.992mm；铰链处：16mm、16.01mm、15.951mm；门锁处：15.994mm、15.965mm；上窗框处：16.992mm、15.959mm、15.743mm。由以上数据可以得到：密封间隙的最大值与最小值相差较小，同时密封面的过渡很平缓无大的变化，所以为了降低汽车的生产成本，这里采用等截面的密封条。周边密封条1(下文以此名称指安装在窗框附近的密封条)由整车企业提供的数据，此处的密封间隙为15.182mm到18.805mm，封面过渡平缓。3）周边密封条2（下文以此名称指安装在铰链附近的密封条）由整车企业提供的数据，此处的密封间隙为12.044mm到11.812mm。以上便为各个需要密封部分的密封间隙。由于密封面之间密封的间隙变化不大，而且与密封条接触的密封面过渡平滑，同时考虑到成本问题，此处在几个密封部位选择等截面的密封条。3.3.2密封条压缩量的确定密封条的压缩量是密封条设计的一重要参数。前边我提到过门密封条的密封形式是动密封，这是以车门的开关来定的。但是在密封条实现密封作用时，车门与车身的相对位置是不会改变的，而密封主要就靠密封条的变形来补充密封间隙来实现密封。压缩变形是密封条实现密封性能的方式，由于密封条材料的原因，密封条的压缩变形并不是越大越好。在确定密封条的压缩量时我们需要考虑，密封条的回弹，当密封条的压缩量超过一定限度是，密封条就会产生塑性变形，使得密封条在下次关门时不能很好的实现密封了，这将影响密封条的密封性能。根据福特的研究结果，密封条的压缩载荷占了关门力的大约30%到50%，这就是说密封条的压缩量太大将会使关门力变大，而使关门变得困难，这将影响消费者的使用心情，对汽车的销售造成不利影响。由企业标准，由于门洞密封条密封条为主密封，所以这里取密封条的压缩量为5-7mm；周边密封条1的压缩量为5-8mm；周边密封条2的要缩量为5-8mm。3.4密封条与周边相关零部件连接方式的确认密封条的安装方式有四种：（1）塑料卡扣；（2）双面胶带；（3）嵌入安装；（4）同周边零件直接卡接。其中卡槽装配和卡扣装配是较为可靠的装配方式，卡槽装配式密封条依靠安装部的卡槽夹持在门框卡板上。卡槽一般由密实橡胶和骨架复合而成，其中骨架由钢带、钢丝编织带等材料制作而成，为安装部提供了基本的夹持力。卡槽内的齿形唇边起到防脱出和增强密封的作用。在密封条的安装部，还有延伸的唇边，起遮蔽和装饰的作用。卡扣装配式密封条的安装部位是一腔体，一般由海绵橡胶构成。卡扣一端嵌入到安装腔体内，另一端卡入车门上的安装孔内。双面胶安装是将密封条底部贴合双面胶带，通过胶带和钣金连接固定，这种密封条的密封性能较好。嵌入安装是指将密封条机械地嵌入门框和窗框的安装特征内，这种密封条的固定强度不佳，为了防止脱落，往往需要在密封条的接角区域增加辅助固定特征或防滑特征。门洞密封条由于安装位置已经确定，通常它的安装方式为同周围零件直接卡接。为了提高密封性能，可在安装门洞密封条时在卡槽中加入不干胶。周边密封条一般采用采用塑料卡扣的安装方式，但是为了提高密封性能还需要在安装面上进行涂胶处理，双面胶带安装方法不仅能保证密封条与安装面的紧密接触，同时采用双面胶带不需要再安装面打孔，工艺相对于卡扣安装要简单，所以这里为了提高工艺性，使装配流程更短，此处周边密封条的安装方式采用3M双面胶带固定。周边密封条1安装在侧围上，周边密封条2安装在车门上。3.5密封条断面生产的可行性确定根据上文，门洞密封条采用双炮管结构，周边密封条1采用单泡管唇边结构，周边密封条2采用无泡管结构；同时这些密封条都为等截面密封条。当今密封条的生产都采用连续挤出硫化的工艺，结构简单的也有采用模具注射的方式生产。挤出工艺现在能实现复合挤出，即集中材料同时挤出成形，并且采用计算机控制挤出材料的量来实现截面形状的精准控制。橡胶密封条的复杂断面的成型是在机头内进行的。口型使胶料具有一定的形状。口型虽然是一种结构简单的成型口模型，但在几何尺寸上是很难确定的，一定要通过反复试验修改才能生产出的胶条断面符合产品图纸要求（也可采用计算机模拟生产来设计口型）。口型的几何尺寸随着橡胶胶种及配方而变化。用成型模，连续压出的制品尺寸不是收缩而是膨胀。所以在口型制作时首先根据胶料的膨胀率做出形状与产品断面相似的口型，产品断面可以放大10倍作图。挤出成型模要充分考虑到型口每一部位的胶料挤出阻力与流量的关系，一定要使挤出的胶料均匀，如某一部位流量大就会引起某一部位断面厚薄不均，是压出速度不平衡而造成半成品弯曲或起波纹，可在口型后面加一“压脚”以增加该部位的压出阻力，使压出平衡。压出温度是压出工艺的关键。一般天然橡胶压出温度比合成橡胶的压出温度相对高些，但压出温度过高或过低均会直接影响压出速度和产品表面的光滑性。一般是冷机身、温机头、热口型，但温度的掌握要以保证半成品不自流或表面不发生毛糙和气泡为准。硫化是橡胶类产品必须的一道工艺，老式硫化方法是间接蒸汽或者直接蒸汽法，这种方法生产效率低，质量波动大，大批量生产同一规格或尺寸相近的制品时，就应该采取连续硫化的特型生产流水线，这样在操作过程中用不着储存和运送半成品，可以较经济的利用热能，无粉尘污染之害，对产品质量和外观都有保证。目前国内陆续引进了不少国外的连续硫化装备，有热空气烘道连续硫化设备，也有微波连续硫化设备等。随着汽车工业的发展对密封胶条也提出越来越高的质量要求，除在连续硫化设备中采用复合机头的复合型橡胶密封条生产以，还要求表面植绒，提高装饰的密封性和美感。这些工艺目前国内各生产厂商相继投入使用。由于橡胶密封条具有可连续生产的特点，因此适用于多种热载体的硫化，如盐浴硫化、热空气烘道硫化、高频硫化、玻璃微珠沸腾床硫化、辐射电子束硫化、远红外硫化等。根据上面的介绍，目前的国内密封条生产工艺能满足设计要求。所以密封条断面确定：门洞密封条为双泡管结构，周边密封条1为单泡管加唇边密封结构，周边密封条2为无泡管结构。3.6密封条数据设计密封条的数据设计主要为密封条压缩方向的尺寸设计，其他方向的尺寸由对标车型及设计者的经验来确定。3.6.1门洞密封条的数据设计在密封条的开发设计阶段，需要考虑车门与车体之间的空隙，来确定密封条与车门或车体之间的干涉量。以干涉量来确定密封条得压缩量，就压缩变形量来说，孔的挤压量不要超过孔内径的50 %，以保证车门密封条随时都有较好的密封性能。在最佳条件下密封条起密封作用，密封部分的尺寸变形量为孔径1/3到1/2。车门与车体的自由空间尺寸未受约束时大约为5mm（其中固定体壁厚为2mm，内凸缘厚度为1mm，海绵胶壁厚为2mm)。因此，孔径挤压时，最佳尺寸必须大于车门与车体间自由空间尺寸公差。即不低于5mm，得到其自由空间尺寸公差为 2.5mm。图3-6 挤压作用下的密封条部分尺寸设空间自由尺寸为A，泡管内径为B。得到如下数据：（1） 自由空间尺寸：（mm）；（2） 变化范围：（mm）；（3） 密封条最小内径：（mm）；（4） 密封条最大内径：（mm）；（3-1）简化上两式可得到泡管内径的取值范围为： （3-2） （3-3）由前文得出的结论，本文设计的密封条为等截面密封条，所以此处选取密封间隙的最小值来计算密封条泡管内径的取值。则A=15.951mm，得最小泡管内径取值范围：最大泡管内径取值范围为：加上密封条泡管壁厚得泡管外径取值范围为：对于载货汽车来说，通常要求密封条的压缩量为密封间隙的一半。所以这里我取密封条泡管外径为23.93mm，在以上的计算范围之内。如图3-7为门洞密封条的断面结构和一些相关的尺寸。图3-7 门洞密封条的断面结构及相关尺寸3.6.2周边密封条1数据设计周边密封条有前面的结论选用的是单泡管带唇边结构。这根密封条的密封间隙值为从15.182mm到18.805mm，最大值与最小值相差3.623mm。由于周边密封条的作用为阻挡作用，所以对于周边密封条1可不必过多的考虑压缩量的大小。根据前文结论的带泡管的周边密封条的压缩量为5-8mm，所以此处取密封条压缩方向的尺寸为23mm。如图3-8所示即为周边密封条1的断面结构及相关尺寸。图3-8 周边密封条断面结构及相关尺寸3.6.3周边密封条2的数据设计同周边密封条1。此密封条的密封间隙为12.044mm到11.812mm。最大值与最小值相差0.132mm，相差值较小，适合使用无泡管密封条，无泡管密封条密封功能依靠唇边的变形来实现，所以这里需要定出唇边的压缩量，有企业相关资料得到无泡管密封条的压缩量为5-8mm。根据对标车型却定密封条压缩方向上的尺寸为17.12mm。图3-9 周边密封条2的断面结构及相关尺寸3.7小结本章介绍了门密封条的一些技术，并对门密封条进行了初始的设计，涉及材料、安装。重点对密封条的断面结构进行了初始的设计。4.密封条的有限元分析理论4.1有限理论的发展有限元法起源于上世纪四十年代初期。在1943年，当时的数学家R.库朗己从数学上明确提出过有限元的思想，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理求解St.Venant扭转问题。然而,此方法发展很慢，直到1956年Tumer，Clough，Martin和Topp等人在他们的经典论文中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。他们利用弹性理论的方程求出了三角形单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的研究工作探讨了早期有限元法的理论，促成了有限元法的诞生，随当时出现的数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。由于当时的条件有限，计算机刚出现，有限元法的基本思想离散化的概念没有引起重视。后来，许多数学家、物理学家由于各种原因都涉及过有限元的概念。但由于即使一个小规模的工程问题，用有限元分析都会产生较大的工作量，所以直到1960年后，随着计算机技术的发展，有限元这门特别依赖数值计算的学科才真正进入了飞速发展的阶段。先是英国的航空学教授J.H.阿吉里斯和他的同事运用网格思想成功地进行了结构分析，他们的研究工作从复杂结构的分析中发展出了有限元的雏形。美国的R.W.克拉夫教授在1960年首次使用“有限元法（Finite Element Method）”这一概念。60年代中、后期，国外的数学家开始介入对有限元法的研究，促使有限元法有了坚实的数学基础，他们对有限元法的发展做出了重要贡献。1965年，英国的O.C辛凯维奇和同事Y.K.CEUNG宣布，有限元法适用于所有能按偏分形式进行计算的场问题，使有限元法获得了一个更为广泛的解释，有限元法的应用也推广到更广阔的领域。有限元法从出现到发展，经历了从线弹性到弹塑性到弹粘塑性，从解决小变形问题到大变形问题，从静力问题到复杂的动力接触问题直至瞬态的碰撞响应问题的历程,应用范围也不断拓展，不断地走向更为成熟的新阶段。有限元技术所涉及的内容有：有限元法在数学和力学领域所依据的理论；单元的划分原则，形状函数的选取及协调性；有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差，收敛性和稳定性；计算机程序设计技术等。作为利用计算机进行数值模拟分析的方法，有限元法自上世纪50年代出现，经过20多年的发展，到70、80年代在理论上已比较成熟，作为工程结构静动力强度析的有效工具，有限元法在工程技术领域中的应用越来越广泛，有限元的计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据，成为最强有力的数值分析方法之一。对于工程技术人员来说，在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件相对容易，但是由于其几何形状,材料特性和外部载荷的不规则性，要求得解析解是很困难的。有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域(单元)构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解。由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件。由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性,再加上它有成熟的大型软件系统支持，所以发展非常迅速。最初有限元法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其解题范围己经包括了各个领域（固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场）的数理方程；已经成为解数理方程的一种非常受欢迎的应用极广的数值计算方法。4.2有限理论简介有限元法的基本思想是将一个实际的结构(弹性连续体)划分为有限大小的，有限个数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程：KU=Q式中：K为结构的整体刚度矩阵；U为节点位移列阵；Q为节点载荷列阵元。离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定（一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也越大）。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。如果划分单元数目足够多而合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变、应力模式，并确定单元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的联接方式，将各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力及其应变。可见，有限元分析的主要内容是：单元离散化、单元分析、整体分析。有限元法与传统的力学方法有很大差别，正是这种差别，使得它能够把许多难以求解的问题变的容易处理：（1）由于可任选单元体的形状和尺寸，故可以“组拼”出形状复杂的机械零件。在作应力分析时，无需对零件的几何形状作过多的简化，从而提高了解题精度，扩大了可解的范围；（2）对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察；（3）对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点来计算；（4）易于解决有初应力、热应力的问题；（5）易于处理材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解；（6）可以解决材料的非线性和结构的非线性问题；（7）采用大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动和稳定性。由于计算机的求解方程组的能力非常强大，构造模型又非常准确，因而有限元法在计算机上使用极为普遍。有限元方法计算精度高，速度快，可缩短设计试制周期和降低成本。目前，优秀的绘图系统软件都配有有限元分析程序窗口。当图形绘制完毕，可立即进行网格划分，并进行强度计算。通过不断修改图形和反复计算，能够使设计质量大幅度提高。有限元法可用于各种模拟和分析方法中，在固体力学、流体力学、机械工程、土木工程、电气工程等领域得到了广泛应用。由于其所涉及问题和算法基本上是来源于工程实际，应用于工程中，其解决工程实际问题的能力愈来愈强。在汽车域，有限元法可用于建立汽车结构系统的振动模型，还可以用于设计的刚度与变形分析、设计的应力与疲劳分析、碰撞模拟和塑性变形分析等。4.3橡胶材料与有限元4.3.1线性有限元问题与非线性有限元问题线性分析：在外加载荷与系统的响应之间为线性关系。例如，如果一个线弹性弹簧在10N的载荷作用下静态的伸长了1m，那么当施加20N的载荷时它将伸长2m。非线性分析：结构的刚度随其变形而改变的问题。所有的物理结构均是非线性的。线性分析只是一种方便的近似，它对于设计来说通常是足够的。但是很显然，对于许多的有限元模型包括加工过程的模拟，诸如锻造或者冲压、碰撞分析以及橡胶部件的分析，如轮胎或者发动机支座，线性分析是不够的。在结构力学模型中非线性的来源有三种：材料的非线性、边界的非线性、几何的非线性。材料的非线性，像大多数的金属在低应变值是具有良好的线性应力-应变关系，但在高应变时材料发生曲服，此时材料的响应为非线性且不可恢复。边界的非线性：如果边界在分析过程中发生变化，就会产生边界的非线性问题。比如在分析过程中出现接触问题。几何的非线性：几何的非线性发生在位移的大小影响到构件的响应的情况。这是由于：大挠度或大转动；“突然翻转”（snap through）；初应力或载荷刚性化。例如，考虑在端部竖向加载的悬臂梁。如果端部的挠度较小，可认为是近似的线性分析。然而，如果端部的挠度较大，结构的形状乃至其刚度都会发生改变。另外，如果载荷不能保持与梁垂直，那么载荷对结构的作用将发生明显改变。当悬臂梁挠曲时载荷可以分解为一个垂直于梁的分量和一个眼梁长度方向的分量。这两种效应都会贡献到悬臂梁的非线性响应中。4.3.2橡胶材料的有限元分析与普通的金属材料不同，橡胶材料受力以后，其变形是一个非常复杂的过程。它的变形随着大位移和大应变。橡胶材料本身又是非线性材料，本构关系复杂，无法像一般金属材料那样仅需几个系数便可以描述材料特性。此外，橡胶材料另一突出特点是在变形过程中其体积几乎不变，加之它的力学行为对温度、环境、应变历史、加载速率等十分敏感，这样就使得描述橡胶行为更加复杂。同时在有限元分析中通常都会有接触、摩擦等边界条件。如图4-1为典型的橡胶材料的应力-应变曲线。从曲线的趋势中可以看出其斜率变化巨大，像这种材料行为称为超弹性（hyperelasticity）。超弹性材料的变形在大应变值时（通常超过100%）任然保持弹性。所以在橡胶的有限元分析中包含了材料的非线性、边界的非线性和几何的非线性，是高度的非线性问题。图4-1 橡胶的典型应力-应变曲线4.4有限元分析软件ABAQUS4.4.1ABAQUS简介ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究。优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究机构广泛采用,其产品也在大量的高科技产品研究中发挥着巨大的作用。ABAQUS在不断丰富其有限元分析的前后处理模块,也是建模、分析和仿真的人机交互平台一ABAQUS/CAE的功能的同时,还与其他的CAD、CAE软件厂商直接合作,开发嵌入式第三方求解器,如CATIA V5和AVL Excite。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库,并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其