淺談CAE技術(shù)和多軸拉伸試驗機在汽車密封制品中的應(yīng)用 

高鐵檢測儀器

摘要：本文主要介紹汽車用橡膠密封制品CAE技術(shù)的發(fā)展及多軸拉伸試驗機在有限元分析中的應(yīng)用，通過兩項技術(shù)相結(jié)合，可充分利用計算機模擬選型，降低成本并縮短研發(fā)周期，并朝著實現(xiàn)“綠色汽車"這一暢想有序推進。

關(guān)鍵詞：橡膠密封制品；有限元分析；CAE；等軸拉伸 

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是隨著大眾對環(huán)保問題關(guān)注度增高，汽車對綠色新能源和綠色新材料的需求增速，“綠色汽車"這一概念也深入人心，而且汽車整車的綠色化也勢必要求其所用各系統(tǒng)、零部件的綠色變革^[1]。

根據(jù)《汽車密封條行業(yè)“十一五"規(guī)劃研究報告》，每輛轎車平均需要消耗密封條70米左右^[2]，而且消費者對車用密封條的要求也越來越高。除了要具有優(yōu)良的密封性和環(huán)境隔離功能外，對其舒適性、裝飾性安全性、耐久性和環(huán)保性等性能也提出了相關(guān)要求。這也使得未來密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要更加合理，工藝更加優(yōu)良.

現(xiàn)代CAE技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品的研究設(shè)計，在產(chǎn)品設(shè)計之初便可以輔助進行缺陷分析、質(zhì)量改進，成為當前主流的設(shè)計分析方法。由于汽車密封條裝配關(guān)系比較復(fù)雜，產(chǎn)品在使用過程中會出現(xiàn)大變形，因此其工程求解難度比一般的產(chǎn)品要大。利用CAE分析設(shè)計密封條的結(jié)構(gòu)和受力變形行為，可通過計算機模擬密封條在裝車過程中所受的應(yīng)力和應(yīng)變的分析驗證并優(yōu)化改進密封條的結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高制品制造工藝水平和生產(chǎn)效率。近年來利用相關(guān)軟件進行擠出口模的流道設(shè)計和密封條的隔噪聲性能的分析的工作已經(jīng)開始得到應(yīng)用。

 目前汽車密封條主要還是以三元乙丙橡膠（EPDM）和熱塑性彈性體（TPE）為主，也有部分制品采用PVC材質(zhì)。針對汽車密封條結(jié)構(gòu)的有限元分析，根據(jù)密封條與車身其他部件的相互作用形式，可分類為壓縮、插拔、滑動、彎曲及多種復(fù)合形式。

目前比較先進的密封條企業(yè)，均可實現(xiàn)密封條與汽車車身鈑金的同步設(shè)計和修改，整個過程充分利用計算機模擬方法進行設(shè)計選型，降低了成本并縮短了開發(fā)周期。

與其他金屬材料不同，密封條基本為橡膠制作，橡膠長鏈分子方向隨機分布，呈現(xiàn)出典型的非線性材料特征，并對應(yīng)力、時間、環(huán)境等表現(xiàn)出較強的依賴性，隨著制品老化會出現(xiàn)硬化或者軟化的現(xiàn)象。因此，在CAE設(shè)計時首先就要選定一個最合適材料本構(gòu)模型來表征材料特性，然后通過對材料進行測試，得到一系列的基本物性參數(shù)、材料特性曲線，并與建立的材料模型獲得良好匹配。綜合密封條結(jié)構(gòu)分析對結(jié)構(gòu)建模及邊界條件的敏感度，設(shè)定合理的邊界條件，提高對密封條結(jié)構(gòu)變形特性的模擬精度，為密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有價值的指導(dǎo)依據(jù)。

隨著對橡膠材料本構(gòu)關(guān)系不斷深入的研究，已建立了多種不同理論為根基的材料本構(gòu)模型。包括Mooney Rivlin模型、Blatz-Ko模型、Knowles模型、Ogden模型、Yeoh模型等。當橡膠材料在發(fā)生大變形時通常作為超彈性材料處理，因此可使用基于應(yīng)變能密度函數(shù)的本構(gòu)模型來描述^[3]。

在研究材料本構(gòu)關(guān)系的同時，人們也開始著眼于如何對材料進行更加合理的試驗從而獲得更加*和真實的材料特性曲線，并通過后續(xù)的有限元分析來檢驗材料模型的適用性，減少誤差并檢驗材料模型表達材料性能的準確性。因此，在有限元分析之前，必須獲取準確豐富的材料數(shù)據(jù)。

密封條的橡膠材料在實際工況中受力-變形復(fù)雜多變，任何單一的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)并不能充分模擬材料真實的變形，而需要多種“純"應(yīng)變狀態(tài)下的材料曲線共同擬合材料模型。實驗室中的橡膠材料試驗主要包括單軸拉伸試驗、平面剪切試驗、單軸壓縮試驗、等軸拉伸試驗等^[4]。

而在單軸壓縮試驗時，由于試樣與測試壓盤間的摩擦力，使得試樣在壓縮過程中無法自由均勻的膨脹，因此呈現(xiàn)出存在拉伸和剪切應(yīng)變的非純壓縮應(yīng)變狀態(tài)。而且此過程中無法測定其摩擦系數(shù)，所以試驗數(shù)據(jù)無法進行有效修正。理想的單軸壓縮狀態(tài)試樣半徑均勻增大并始終保持圓柱形，這種變形特性等效于圓柱面上受到均布徑向拉力的狀態(tài)，因此，可以利用等軸拉伸試驗代替單向壓縮試驗。

比如，可以通過CAE分析，可以評估密封條在實驗和使用時的力學(xué)響應(yīng)、應(yīng)力分布情況，并通過測試數(shù)據(jù)結(jié)果自動分析判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計的失效位置和結(jié)構(gòu)安全疲勞性能，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品使用壽命的預(yù)判。

總結(jié)

目前針對橡膠材料的有限元分析，國內(nèi)外均暫時缺乏統(tǒng)一的材料試驗標準。而采用傳統(tǒng)試驗設(shè)備及測試夾具無法得到準確的材料物性測試數(shù)據(jù)，從而無法建立準確詳實的基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)庫，并影響后續(xù)分析工作的準確性。因此也迫切需要盡快出臺統(tǒng)一的測試標準，盡可能采用等軸拉伸測試數(shù)據(jù)，才能有效提升CAE分析設(shè)計的效率和水平，減少研發(fā)周期，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 蔡增偉，余漢生．綠色乘用汽車密封條的興起與發(fā)展[J]．特種橡膠制品，2002，23(6)：40-43．

[2] 范成高．密封條在汽車上的設(shè)計趨勢[J]．研究與開發(fā)，2010，(2)：68-69．

[3] 匡震邦．非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[4] Measuring rubber and plastic friction for rubber, Axel Products Testing and Analysis Report[EB/OL].

[5] 黃燕敏．基于仿真分析的轎車車門密封條結(jié)構(gòu)改進研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.