載貨汽車門密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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1、載貨汽車門密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 4 摘要 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的一個重要的支柱產(chǎn)業(yè)在近年內(nèi)得到了快速的發(fā)展。隨著技術(shù)水平和制造工藝的上升，消費者對汽車的舒適性能提出了更為嚴格的要求。而汽車的密封性能是評價汽車舒適性的一項重要指標，其中門密封系統(tǒng)是汽車車身密封中十分重要的一環(huán)，它密封性能的好壞將對乘客艙的舒適性產(chǎn)生很大的影響。在門密封系統(tǒng)中門密封條對密封性能影響最大。 車門密封條在隔絕車內(nèi)外空間，防止車外空間的塵土、雨水侵入車廂，同時也在汽車高速行駛時阻斷車內(nèi)外空氣流動有很大作用，提高汽車的乘坐舒適性。門密封條大多由EPDM橡膠材料制成，同時為了保證密封的

2、性能，密封條通常具有復(fù)雜的截面形狀。由于密封條材料和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得新密封條的開發(fā)流程十分的繁瑣，需要進行重復(fù)多次的實驗才能定型生產(chǎn)。但是近年來計算機技術(shù)、非線性材料力學、有限元法和計算機圖學得發(fā)展，使得在生產(chǎn)前就可以對其進行計算機仿真分析，對于發(fā)現(xiàn)其設(shè)計缺陷和優(yōu)化其密封性能十分有利，提高了設(shè)計的品質(zhì)與效率，同時也有利于降低開發(fā)成本.國外先進的密封條生產(chǎn)企業(yè)很早就開始了這方面的研究了，我國的密封條CAE技術(shù)起步較晚，只有少數(shù)的企業(yè)進行這方面的研究。 為了提升我國密封條企業(yè)的競爭能力。本文主要涉及新密封條產(chǎn)品的開發(fā)，主要對象為載貨汽車的門密封條，在設(shè)計中將使用ABAQUS軟件對密封條結(jié)構(gòu)進行

3、分析，改善密封條的壓縮負荷和壓縮變形。 關(guān)鍵詞：門密封條，設(shè)計，仿真分析，有限元，結(jié)構(gòu)優(yōu)化 Abstract With 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

4、 comfort.And the sealing performances an important evaluating index of the comfort of automobile,especially the door’s sealing is very important.The door’s sealing can determine the comfort of customer compartment.But the automotive door weather strip are the most important. The automotive door we

5、ather strip in isolated the car’s 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

6、 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,u

7、nlinear 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

8、 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 manuf

9、acture industry in China.This paper introduce the exploitation of the truck door weather strip,in progress I use the ABAQUS program to analyse the strip’s structure,optimizing the compression load and the deformation of compression. Key words:door weather strip,design,simulate,finite element,Struct

10、ure optimize 目 錄 摘要 1 Abstract 2 1.緒論 1 1.1課題背景 1 1.2課題研究目的和意義 2 1.3課題研究內(nèi)容 2 2.密封條的介紹 3 2.1密封條的發(fā)展 3 2.2密封產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 3 2.3密封條的材料 4 2.4密封條的分類 4 2.5密封條的安裝 4 2.6密封條的尺寸公差要求 5 2.7密封條的斷面設(shè)計 5 2.9門密封條簡介 6 2.10小結(jié) 6 3.門密封條的設(shè)計 7 3.1密封條道數(shù)的確定 8 3.2密封條界面更形式的確定 9 3.3車身間隙及密封條壓縮量的確認 10 3.3.1車身間

11、隙的確定 10 3.3.2密封條壓縮量的確定 11 3.4密封條與周邊相關(guān)零部件連接方式的確認 11 3.5密封條斷面生產(chǎn)的可行性確定 12 3.6密封條數(shù)據(jù)設(shè)計 12 3.6.1門洞密封條的數(shù)據(jù)設(shè)計 13 3.6.2周邊密封條1數(shù)據(jù)設(shè)計 14 3.6.3周邊密封條2的數(shù)據(jù)設(shè)計 15 3.7小結(jié) 16 4.密封條的有限元分析理論 17 4.1有限理論的發(fā)展 17 4.2有限理論簡介 18 4.3橡膠材料與有限元 19 4.3.1線性有限元問題與非線性有限元問題 19 4.3.2橡膠材料的有限元分析 19 4.4有限元分析軟件ABAQUS 20 4.4.1ABAQ

12、US簡介 20 4.4.2ABAQUS分析流程 22 4.5小結(jié) 22 5.門密封條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 23 5.1密封條的材料模型 23 5.1.1密實橡膠的材料模型 23 5.1.2海綿橡膠材料模型 24 5.2前處理 24 5.2.1模型分析 24 5.2.2網(wǎng)格劃分與單元的選擇 24 5.2.3材料特性定義 25 5.2.4接觸面的定義 25 5.2.5邊界條件的設(shè)定 25 5.3分析結(jié)果 26 5.3.1門洞密封條的分析結(jié)果 26 5.3.2周邊密封條1的結(jié)果分析 27 5.3.3周邊密封條2的結(jié)果分析 28 5.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化 29 5.5優(yōu)化后的密封條結(jié)構(gòu)

13、分析 31 5.5.1門洞密封條優(yōu)化后分析 31 5.5.2周邊密封條2優(yōu)化后分析 32 5.5.3周邊密封條2優(yōu)化后分析 33 5.5.4綜述 34 5.6密封條的一般優(yōu)化方法介紹 34 5.7密封條的排氣孔確定 35 5.7小結(jié) 35 總結(jié)與展望 36 參考文獻 37 致謝 39 1.緒論 1.1課題背景 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的汽車產(chǎn)業(yè)也得到了巨大的發(fā)展，但是在發(fā)展的同時，我國的汽車產(chǎn)業(yè)也面臨巨大的挑戰(zhàn)，隨著我國改革開放的程度加深，越來越多的外國汽車企業(yè)進入我國。但汽車產(chǎn)業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的一項支柱產(chǎn)業(yè)，必須要有自己的核心技術(shù)，才能在市場中有競爭力

14、。 隨著汽車制造工藝的上升，和國民購買力的上升，消費者對汽車提出了更為嚴格的要求，特別是汽車的舒適性，現(xiàn)今一輛車舒適性的好壞，將對其銷量產(chǎn)生很大的影響。 密封性作為舒適性的一項重要評價指標，得到了各個汽車企業(yè)的重視。汽車車門的密封性能的好壞，將影響乘客對乘客車廂舒適度的體驗。車門密封條作為汽車密封的核心部分，對車門關(guān)門力、汽車高速靜音性能等消費者對汽車質(zhì)量的感知有很大的影響作用，可以說門密封系統(tǒng)的好壞決定了，車廂的密封性能。由于門密封條安裝部位的特殊性，這就對密封條的材料選擇產(chǎn)生了很大限定，當今的門密封條主要才要EPDM橡膠材料。同時為了保證密封性能，密封條通常有復(fù)雜的截面形狀，還有門密封

15、條的密封部分大都由海綿橡膠（即經(jīng)過發(fā)泡處理的EPDM橡膠）。 由于密封條材料和結(jié)構(gòu)的特殊性，使得密封條的開發(fā)也變得十分的繁復(fù)，一個新的密封條要定型生產(chǎn)，必須要開發(fā)出樣品的模具，得到實際產(chǎn)品，從而用樣品進行多次的實驗測試，驗證其是否滿足車門的密封要求（通常有主機廠提出這個要求），如不能滿足設(shè)計要求就要更改設(shè)計，重新開發(fā)新的模具并制造樣品，重新進行驗證，現(xiàn)在看這需要耗費很大的精力，同時抬高了密封條的生產(chǎn)成本。 隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，工程師們開始在計算機上模擬各種各樣實驗測試。這些使得工程師們在密封條生產(chǎn)前，就可以對密封條進行各項分析。這讓設(shè)計者在樣品生產(chǎn)前就可以的到其設(shè)計的密封條的部分缺陷

16、，像壓縮負荷不滿足主機廠要求，在密封條轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)褶皺等，這讓我們可以減去很多后期驗證這些性能的實驗，這就使得我們不需要在后期對密封條進行大量的測試試驗了，減小了實驗工作量。這個非常有效的提高了密封條的設(shè)計效率，與設(shè)計品質(zhì)，最重要的是使得密封條的開發(fā)成本得到了很好的控制。 這些技術(shù)已在國外先進的密封條制造企業(yè)得到了大范圍的應(yīng)用。但在中國國內(nèi)具有這些技術(shù)能力的企業(yè)只有少數(shù)的幾家而已，這將對我國的密封條生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生非常不利的影響，為了提高我國汽車密封條行業(yè)的競爭水平，這里我將使用先進的有限元分析軟件ABAQUS對密封條的結(jié)構(gòu)進行分析，并提出優(yōu)化的方案。本文目的為提出一般的密封條設(shè)計方案。相信我國的

17、密封條行業(yè)今后一定能國外企業(yè)比肩。 1.2課題研究目的和意義 汽車車門密封條在車身中起密封介質(zhì)、隔離空間和裝飾等作用。密封條的生產(chǎn)材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝直接影響其功能性、可靠性和裝飾性，進而影響到汽車的舒適性和安全性。因此，汽車的密封性非常重要，現(xiàn)在已經(jīng)成了評價一輛車的重要指標之一。為了保證密封條設(shè)計更為的有效率，更加的節(jié)約成本，傳統(tǒng)的密封條設(shè)計已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車制造行業(yè)的需要了。隨著計算機科學、非線性材料力學、有限元法的發(fā)展，使得在密封條在生產(chǎn)前就對其進行分析成為可能，從而能有效的提高設(shè)計效率，同時降低密封條的開發(fā)成本。 本文將采用有限元分析的方法對載貨汽車門密封條進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。建立

18、其幾何模型和材料模型，并給出仿真所需的邊界條件。通過有限元軟件分析其的壓縮及彎曲變形，根據(jù)分析所得結(jié)果，提出門密封條的優(yōu)化方案。提高設(shè)計的質(zhì)量及降低開發(fā)成本。 1.3課題研究內(nèi)容 研究目標：運用有限元軟件，的密封條的壓縮及彎曲進行仿真分析，得到壓縮條件下，密封條的變形形狀，接觸面的壓力；和彎曲條件下密封條的變形形狀，并根據(jù)這些結(jié)果，提出密封條的優(yōu)化方案，對設(shè)計進行優(yōu)化。 研究內(nèi)容： (1)運用非線性有限元法，對密封條進行合理的簡化，建立分析邊界條件，劃分網(wǎng)格； (2)運用Ogden模型分別建立密實橡膠的材料模型和海綿橡膠的材料模型； (3)對設(shè)計的密封條進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化； (4)分析

19、優(yōu)化后密封條的評價條件。 2.密封條的介紹 2.1密封條的發(fā)展 在最初汽車出現(xiàn)的幾十年里，車身密封技術(shù)基本沒有發(fā)展。據(jù)相關(guān)文獻稱，最早的密封條有硬氈制成，它應(yīng)用于1904年制成的Cadillac汽車的側(cè)窗玻璃密封。直到上個世紀20年代末才出現(xiàn)運用橡膠材料來制造密封條的技術(shù)。大約在1925年用于汽車車身的海綿橡膠密封條才開始出現(xiàn)，但是人們直到40年度末還在使用一般的密實橡膠，這些密封條具有簡單幾何形狀，由于其材料為天然橡膠，所以采用擠出成形的技術(shù)，并在蒸汽硫化罐中硫化，尺寸較小的零件是在模具中壓制成形的，活動的玻璃導(dǎo)槽的密封條采用在表面粘上一層織物的方法制造

20、，這這工藝至今仍在部分密封條上使用。 從1950年開始，隨著人們對汽車車身氣候適應(yīng)性和駕駛情趣的要求的不斷提高，車門密封條才開始使用海綿橡膠來制造。60年代末，玻璃導(dǎo)槽密封條開始使用植絨的工藝來制造，此種技術(shù)在美國首先投入使用，稍后推廣到歐洲，60年代得到大范圍使用。大約與此同時，出現(xiàn)了由PVC包覆金屬骨架，在粘貼上海綿橡膠的門框密封條。70年代，密實橡膠與海綿橡膠復(fù)合擠出的工藝替代了海綿橡膠粘貼的工藝，同時發(fā)動機蓋和行李艙蓋的密封條也大多采用此技術(shù)。隨著近年里我國汽車工業(yè)的發(fā)展，對密封條的需求也越來越大，作為汽車相關(guān)的密封條制造業(yè)，多次引進國外技術(shù)，和國外企業(yè)進行合資等方式，經(jīng)過20多年的

21、發(fā)展，我國的密封條制造業(yè)已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)與規(guī)模，能基本上滿足國內(nèi)汽車對密封的需求。 2.2密封產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 經(jīng)過多年的發(fā)展，我國目前在汽車密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)方面,國內(nèi)密封條企業(yè)已有長足的進步。汽車密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)經(jīng)過十多年來圖加工、測繪設(shè)計和來樣仿制的初級設(shè)計階段后,近年來數(shù)家先進企業(yè)己經(jīng)成功推廣應(yīng)用了飯金件的計算機數(shù)據(jù)帶自主獨立設(shè)計密封條三維數(shù)字模型,做到了與新型汽車的同步設(shè)計,同步開發(fā),現(xiàn)己不需要密封條來圖來樣,真正研制出我國自行開發(fā)設(shè)計的汽車密封條。并在國內(nèi)新車型開發(fā)和老車型改造中取得了多次成功。同時通過汽車密封條計算機三維設(shè)計、工藝裝備(尤其是接角模具)的三維設(shè)計和模具等電加工

22、機床計算機間進行局域聯(lián)網(wǎng),大大縮短了汽車密封條的研制開發(fā)周期,也顯著提高了密封條研制開發(fā)的技術(shù)水平。 在國外先進的汽車密封條企業(yè)中,汽車密封條設(shè)計技術(shù)已經(jīng)達到從汽車車身 飯金件設(shè)計一密封條設(shè)計一模具設(shè)計一密封條模擬生產(chǎn)一裝車效果一密封條及 模具設(shè)計修改一密封條生產(chǎn),整個循環(huán)過程全采用計算機數(shù)字模擬研制開發(fā)方法,該方法更先進,可降低成本和縮短研制周期。所以我國密封條設(shè)計和開發(fā)技術(shù)與國際水平相比還有差距。據(jù)悉國內(nèi)有些企業(yè)正準備開始嘗試開發(fā)此計算機技術(shù)。 2.3密封條的材料 密封條由于安裝位置遍布車身各個部分，因此對材料有一定的耐候、耐老化性能，較好的機械強度、伸長率和壓縮變形及耐寒性。

23、 根據(jù)主體部分的使用范圍，溫度適應(yīng)性要求很高，從零下40oC到零上80oC都要求有良好的性能。膠帶長時間暴露在空氣中而不產(chǎn)生裂紋，所以對材料提出了耐臭氧老化的要求。密封條裝飾件要求在大氣臭氧濃度下至少穩(wěn)定3年以上，一般對臭氧氧化不穩(wěn)定的橡膠材料不考慮。 密封條產(chǎn)品的原材料，有EPDM、PVC、熱塑性彈性體如TPV等。EPDM材料具有良好的加工性，可以與鋼帶、鋼絲編織帶、絨布、植絨、PU涂層、有機硅涂層等復(fù)合，保證車輛與外界的防水、防塵、隔音、隔熱、減振和裝飾作用，一般情況下EPDM密封條使用壽命可達十幾年，但成本較高，且報廢零件無法循環(huán)使用。PVC密封條具有材料成本低、加工方便等優(yōu)勢，但其缺

24、陷是耐候性差，易出現(xiàn)龜裂和變硬的問題。隨著歐洲法規(guī)對于汽車零部件回收要求的不斷提高，熱塑性彈性體TPV逐漸成為設(shè)計密封條所選用的原材料，但是由于工藝、設(shè)備、成本等諸多問題，熱塑性彈性體密封條目前在國內(nèi)的應(yīng)用還較為有限。 由于目前我國的技術(shù)水平限制，國內(nèi)大多數(shù)的門密封條采用EPDM橡膠，而且在國內(nèi)EPDM橡膠材料的供應(yīng)商數(shù)量非常有限，所以大部分密封條原材料大都是從國外進口的，這一現(xiàn)狀很大制約了我國密封條制造業(yè)的發(fā)展。所以在發(fā)達國家淘汰EPDM橡膠之際，國內(nèi)的密封條原材料企業(yè)，也應(yīng)該跟緊國際先進技術(shù)，做到在新技術(shù)上面不落后。 為了保證密封條的各項性能，通常會在原料中添加各種添加劑，像抗氧化劑、

25、防老劑、特種配合劑、軟化劑等，但添加劑的量應(yīng)該進行控制，以不影響膠料的性能為準。 2.4密封條的分類 這里我按照密封條在車身上的不同位置作為分類標準（此外還有按密封條材料、工藝等進行分類的）。有發(fā)動機艙密封條、風擋密封條、側(cè)門密封條、行李艙密封條、天窗密封條。在所有這些密封條中，側(cè)門密封條對車身密封性能的影響最大，是車身密封性的一重要評價指標 側(cè)門密封條又有門框密封條、門洞密封條、玻璃導(dǎo)槽、內(nèi)外水切。門洞密封條結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有EPDM密實橡膠、EPDM海綿橡膠和鋼骨架三部分組成。內(nèi)外水切也由EPDM密實橡膠、鋼骨架組成但是為了減少玻璃運動的阻力，一般在與玻璃接觸的部分植絨。 2.5

26、密封條的安裝 （1）嵌入固定法：利用密封條本身的凹凸部分過盈插入門或窗的相應(yīng)部位來達到固定的目的。此方法操作簡單,但易脫落，一般只宜用于載貨汽車上。 （2）機械固定法：此方法雖然牢固可靠，但工序復(fù)雜，成本高，多用于載重汽車和大型客車上。采用嵌入固定法或機械固定法視使用的場合與要求而定，如果設(shè)計恰當，嵌入固定法更能表現(xiàn)它的優(yōu)點，占用位置小，而且緊湊經(jīng)濟。 （3）粘合固定法：采用膠粘劑或填入膩子直接將橡膠密封條與金屬粘合，工藝簡單，效率高且牢固，一般采用的膠粘劑和膩子是JX一19膠粘劑，它具有較好的初始粘力，在常溫下不需要加壓可進行粘合，或推薦用SL一4多用途結(jié)構(gòu)膠粘劑，其耐熱老化、耐濕老化

27、、耐溫度交變、耐振動性好，可作非片面粘合固定用，也可以用JN一8風窗密封膠，它以一種解聚丁基橡膠為主體，并配入低分子量的聚異丁烯及填充物，用于汽車擋風玻璃和膠條的密封，能防風、防水、防寒，也可以用JN一(S一2)密封膠,即以液態(tài)聚硫橡膠為主體，適用于門窗的頂面和立面粘合固定操作用。 2.6密封條的尺寸公差要求 大部分的橡膠密封條是以壓出硫化，所以屬橡膠壓出制品的范疇，除要求嚴格控制膠料、工藝及性能外，對作復(fù)合制品時還需具有精密尺寸的支撐體骨架材料如彈簧鋼片骨架等。骨架鋼片厚度一般為0.3rnm以，在超高頻硫化當中，骨架的形狀尺寸牽涉到高頻滲透金屬表面層的深度，在感應(yīng)升溫時避免微波反射，遮斷

28、傳送回路，并且其所示狀態(tài)在高頻硫化的特定條件下，為避免發(fā)火花造成著火。一般在金屬件的表面不應(yīng)有水分、油等，以防產(chǎn)品產(chǎn)生氣泡和腐蝕現(xiàn)象。另外，金屬骨架材料在使用中要考慮其所處空間的部位，以防高頻硫化中電場電路中斷。除海綿外各種形式橡膠密封條根據(jù)使用要求，尺寸公差執(zhí)行GB3672一83《橡膠空心模壓和壓制制品尺寸公差》，其中裝配尺寸公差按E2，非裝配尺寸公差按E3執(zhí)行，長度尺寸公差按表中L3執(zhí)行。海綿壓出制品截面和長度尺寸公差按ISO3302一6執(zhí)行。作為壓出制品的橡膠密封條，其生產(chǎn)中的制品尺寸公差要求比模壓橡膠密封制品要大，膠料在強制通過口型后發(fā)生膨脹并在隨后的硫化過程中發(fā)生收縮和變形，一般軟的

29、硫化膠(即硬度50IRHD)比硬度大的硫化膠需要更大的公差，在橡膠密封條橫截面的尺寸中一般要限定二個公差即可，關(guān)鍵部位尺寸要嚴，其它部分可酌情寬一些，公差一般是選取對稱分布。 2.7密封條的斷面設(shè)計 橡膠密封條的斷面結(jié)構(gòu)一般包括密封和安裝兩個主體部分，有時也在產(chǎn)品剖面加有備注裝飾面的要求，如植絨、涂膜等，密封部分根據(jù)密封空間位置及其大小，起密封部分的受壓方向和最適宜的壓縮量來進行設(shè)計或選型；安裝部分則取 決于固定部位尺寸的大小和固定的方式，固定方式為嵌入固定、機械(鉚釘)固定和粘合固定等。密封膠條斷面形狀設(shè)計有很大的選擇性，形狀設(shè)計中如靠唇形起密封作用時，唇的腰部尺寸應(yīng)沿著根部逐漸加厚以

30、保證密封唇有足夠的彈性和接觸壓力，減少壓縮時的變形。對于空腔形的設(shè)計，其壁不能過厚也不宜過薄，厚的彈性雖好但關(guān)閉時費力，太薄則密封部位缺乏挺性而易變形。 橡膠密封條主要是利用本體結(jié)構(gòu)中唇空腔凸緣等部位的彈性與組裝的裝飾件(玻璃或金屬件)等接觸物體的表面產(chǎn)生接觸壓力而起到密封和裝飾作用，一般在-50~80oC范圍內(nèi)使用。 2.9門密封條簡介 汽車車身密封性設(shè)計是針對車身室內(nèi)居住性環(huán)境改善,提高車身防腐蝕性要求而進行的。主要包括：防止雨(水)、塵土、污染氣體侵入室內(nèi)的密封性設(shè)計；防止振動、噪聲、熱量侵入室內(nèi)的密封性設(shè)計;防止腐蝕介質(zhì)侵蝕車身板件密封性設(shè)計。 按照以上密封性要求及密封

31、結(jié)構(gòu)特點，一般將密封性設(shè)計分為靜態(tài)密封和動態(tài)密封兩類。 對車身上的門、窗、孔蓋等活動部位之間的配合間隙進行密封，稱為動態(tài)密封。動態(tài)密封是靠密封條的壓縮變形來填充構(gòu)件間的縫隙，使車身室內(nèi)與外界隔絕，僅能防止風、雨和塵土侵人室內(nèi),提高隔音和隔熱性能，以保持車內(nèi)環(huán)境，同時還能緩和車門關(guān)閉時的沖擊力和車身在行駛中的振動。 就普通汽車而言，所使用的門密封系統(tǒng),主要是使用海綿橡膠+密實橡膠+金屬骨架復(fù)合結(jié)構(gòu)的門框密封條，其接頭處于門檻部位。而轎車一般配有多級門密封系統(tǒng)：其內(nèi)層密封系統(tǒng)采用海綿橡膠密封管同外表面包敷絨布的棱邊保護條粘接結(jié)構(gòu)的密封條：中層密封系統(tǒng)是采用帶雙面不干膠帶的海綿橡膠密封條，中層密

32、封系統(tǒng)對降低噪音起到了重要的作用；外層密封系統(tǒng)采用帶有完整的玻璃導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)的密封條，用于密閉車身頂蓋與門框之間的間隙。這種密封條的主要特點是其密封部位在裝卡部位的側(cè)部,裝卡方向與密封受力方向相垂直,在使用過程中密封條存在從車身板上脫落的可能。決定車門密封條的密封性、安裝牢固性及車門關(guān)閉力大小的因素主要是材料硬度、材料密度、斷面幾何形狀及金屬骨架類型和強度等。 2.10小結(jié) 本章介紹了密封條的發(fā)展，及密封條產(chǎn)業(yè)和運用的現(xiàn)狀，初步介紹了門密封條。 3.門密封條的設(shè)計 車門密封根據(jù)其密封部位可分為車門與門框之間的密封，以及門窗玻璃的密封。本文主要的研究對象為車門與門框之間的密封。

33、 車門與門框之間在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)具有一定的間隙，通過在其間安裝橡膠密封條來實現(xiàn)車室內(nèi)部與外界的隔離。防止風、雨水、灰塵和噪聲等侵入車內(nèi)，并對車門的關(guān)閉起到緩沖作用，防止車輛在行駛中車門發(fā)生振動。 圖3-1車門與門框之間密封條的裝配方式 如圖3-1為車門與門框之間的密封結(jié)構(gòu)及密封條的裝配方式。一般根據(jù)轎車車身的密封性能要求，采用單層密封或雙層密封。密封條根據(jù)設(shè)計的需要，可以安裝在車門上，亦可以安裝在門框上,或者兩方面并用。 車門密封條根據(jù)其裝配固定方式一般有粘著式、嵌入式、卡夾式和鑲嵌式，粘著式是采用粘接劑將密封條固定在密封部位，粘著面應(yīng)平整，多用于車門和窗框上。嵌入式是將密封條機械地嵌

34、入構(gòu)件的斷面內(nèi)，這種安裝方式要求構(gòu)件斷面有安裝固定槽座，因而多用于冷拉型材或滾壓成形的車門窗框上。卡夾式是將金屬或塑料的卡夾植入密封條中，再將卡夾插入車門側(cè)板的孔口中，從而實現(xiàn)密封條固定。對于平整光滑的密封面來說這種安裝方法簡便。鑲嵌式密封條由U形夾持件和密封條兩部分組成。通過夾持件的夾持力使密封條固定在車門門框的止口上或車身其他部位的凸緣上，能掩蓋凸緣的毛邊。若在夾持件的外表面壓制出花紋或包覆其他裝飾材料，對車身內(nèi)飾邊緣具有裝飾作用。由于這種密封條安裝可靠、方便、密封連續(xù)性好，在車身密封設(shè)計中被廣泛使用。鑲嵌式密封條一般用于車門和艙蓋等部位的密封。對車門來說,要求密封條沿門框四周能與車門內(nèi)側(cè)

35、均衡柔軟地接觸。在設(shè)計中，首先應(yīng)考慮車門在關(guān)閉狀態(tài)下，密封條是如何接觸受力和被壓縮的，應(yīng)保持壓縮接觸面和接觸方向的一致性，這一點與車門的形狀和鉸鏈的位置有關(guān)。此外，還應(yīng)考慮車輛行駛中車門的振動情況，以免密封條在使用中變扭曲而影響密封性能，或被撕脫。 車門密封條的斷面形狀一般分中空形和唇形兩種，如圖3-2所示。中空密封條是通過空腔的變形來調(diào)節(jié)面接觸強度的,其密封性及緩沖防振性均好,多作為結(jié)構(gòu)的主要密封部分。唇形密封條一般為線接觸,接觸強度主要取決于根部的厚度。密封條斷面形狀的設(shè)計應(yīng)考慮接觸強度、密封條的安裝部位,以及車門的結(jié)構(gòu)形式和密封要求,而且,為保證良好的密封效果,根據(jù)密封間隙合理選擇中空

36、形密封條的壓縮量或唇形密封條的彎曲貼緊程度是非常重要的。 圖3-2 密封條的裝配固定方式 圖3-3 門密封條的斷面形式 3.1密封條道數(shù)的確定 現(xiàn)代汽車對密封的性能要求越來越高，在所有提升車門密封性能的方法中，增加密封條的道數(shù)能明顯的提高密封性能，但是增加密封條的道數(shù)會增加整車的成本，將使汽車售價升高，所以多道密封條主要應(yīng)用在高檔轎車上。而在經(jīng)濟型車而言，一道密封條已經(jīng)能滿足密封的要求。作為生產(chǎn)工具的載貨汽車，為了提升其性價比，通常我們都安裝一道密封條。不過一道密封條的工作負荷比較大，所以我們可以在密封比較薄弱的部位安裝有阻隔作用的周邊密封條。 根據(jù)我們對載貨汽車的市場定

37、位，所以在載貨汽車的門密封上，我們采用一道半密封條：一道門洞密封條，半道周邊密封條。根據(jù)對標車型我們選擇周邊密封條安裝在側(cè)圍鈑金上，即所有密封條都安裝在車身上。 3.2密封條界面更形式的確定 門洞密封條，周邊密封條是本文設(shè)計的主要內(nèi)容。 門洞密封條顧名思義就是安裝在門洞上的密封條。門洞密封條不僅要保證密封性，還要承受關(guān)門時的沖擊力，因此它要有彈性，也要有韌性主要由密實橡膠基體和海綿橡膠泡管兩部分組成。密實橡膠內(nèi)有金屬骨架，起到加強膠條定型和固定作用。海綿橡膠泡管柔軟并且富有彈性，騎著受壓變形，卸壓反彈的功能。此外，因為與內(nèi)飾之間相隔很近，常在靠近駕駛室一側(cè)有唇邊與內(nèi)飾

38、配合，在其上有色彩或是貼有織物，起到裝飾作用。門洞密封條的泡管形式有雙泡密封條、單泡密封條、無泡密封條。 圖3-4 門洞密封條的泡管形式 車門頭道密封條并不是每輛車都有，為了降低汽車制造成本，通常只有一道密封條，但是為了提升密封效果，就會安裝上周邊密封條，周邊密封條的主要起是阻隔作用，減輕在門洞密封條在密封環(huán)境比較惡劣的條件下的工作負荷，提高門的密封性能。車門周邊密封條結(jié)構(gòu)有兩種,一種為全海綿膠泡管，另一種由密實膠基體和海綿膠組成。 這里設(shè)計密封條要安裝車型的對標車型為福特Fo H476，這里我參考這個車型的部分數(shù)據(jù)進行密封條的初始設(shè)計。 由于門洞密封條是安裝在鈑金的接頭處，所以需

39、要有夾持部分；同時根據(jù)測量數(shù)據(jù)，需要密封的間隙都在15mm以上，根據(jù)企業(yè)的標注，這里密封條泡管形式采用雙炮管。 在門密封環(huán)境較為惡劣的上測部分和車門的前側(cè)部分，在這兩個部分氣流比較復(fù)雜，同時塵土和雨水的干擾比較嚴重，所以在這兩個部位安裝周邊密封條，提升車門的密封品質(zhì)。由于周邊密封條的住主要是阻擋的作用，所以周邊密封條不需要有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)了。同時由于安裝部位比較特殊，在鈑金過度的曲面形狀比較復(fù)雜不利于裝配，所以為了裝配的方便，周邊密封條設(shè)計為兩段。 典型截面的定型： 門洞密封條：采用雙炮管結(jié)構(gòu)； 周邊密封條——窗框處：單泡管結(jié)構(gòu)； 周邊密封條——鉸鏈處：無泡管結(jié)構(gòu)。 3

40、.3車身間隙及密封條壓縮量的確認 3.3.1車身間隙的確定 1）門洞密封條 對于門洞密封條來說，這里的車身間隙為側(cè)圍鈑金和車門密封面鈑金之間的間隙。這個間隙即為密封間隙，在密封條壓縮方向上的間隙值d0是需要保證的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 圖3-5 車門密封的結(jié)構(gòu) 由整車企業(yè)提供的數(shù)據(jù)，可以得到此間隙值d0得大小為： 門檻處：16.995mm、16.935mm、16.992mm； 鉸鏈處：16mm、16.01mm、15.951mm； 門鎖處：15.994mm、15.965mm； 上窗框處：16.992mm、15.959mm、15.743mm。 由以上數(shù)據(jù)可以得到：密封間隙的最大值與最小

41、值相差較小，同時密封面的過渡很平緩無大的變化，所以為了降低汽車的生產(chǎn)成本，這里采用等截面的密封條。 周邊密封條1(下文以此名稱指安裝在窗框附近的密封條)由整車企業(yè)提供的數(shù)據(jù)，此處的密封間隙為15.182mm到18.805mm，封面過渡平緩。 3）周邊密封條2（下文以此名稱指安裝在鉸鏈附近的密封條） 由整車企業(yè)提供的數(shù)據(jù)，此處的密封間隙為12.044mm到11.812mm。 以上便為各個需要密封部分的密封間隙。由于密封面之間密封的間隙變化不大，而且與密封條接觸的密封面過渡平滑，同時考慮到成本問題，此處在幾個密封部位選擇等截面的密封條。 3.3.2密封條壓縮量的確定 密封條的壓縮量是密

42、封條設(shè)計的一重要參數(shù)。 前邊我提到過門密封條的密封形式是動密封，這是以車門的開關(guān)來定的。但是在密封條實現(xiàn)密封作用時，車門與車身的相對位置是不會改變的，而密封主要就靠密封條的變形來補充密封間隙來實現(xiàn)密封。壓縮變形是密封條實現(xiàn)密封性能的方式，由于密封條材料的原因，密封條的壓縮變形并不是越大越好。在確定密封條的壓縮量時我們需要考慮，密封條的回彈，當密封條的壓縮量超過一定限度是，密封條就會產(chǎn)生塑性變形，使得密封條在下次關(guān)門時不能很好的實現(xiàn)密封了，這將影響密封條的密封性能。根據(jù)福特的研究結(jié)果，密封條的壓縮載荷占了關(guān)門力的大約30%到50%，這就是說密封條的壓縮量太大將會使關(guān)門力變大，而使關(guān)門變得困難，

43、這將影響消費者的使用心情，對汽車的銷售造成不利影響。 由企業(yè)標準，由于門洞密封條密封條為主密封，所以這里取密封條的壓縮量為5-7mm；周邊密封條1的壓縮量為5-8mm；周邊密封條2的要縮量為5-8mm。 3.4密封條與周邊相關(guān)零部件連接方式的確認 密封條的安裝方式有四種：（1）塑料卡扣；（2）雙面膠帶；（3）嵌入安裝；（4）同周邊零件直接卡接。其中卡槽裝配和卡扣裝配是較為可靠的裝配方式，卡槽裝配式密封條依靠安裝部的卡槽夾持在門框卡板上。卡槽一般由密實橡膠和骨架復(fù)合而成，其中骨架由鋼帶、鋼絲編織帶等材料制作而成，為安裝部提供了基本的夾持力?？ú蹆?nèi)的齒形唇邊起到防脫出和增強密封的作用。在密封

44、條的安裝部，還有延伸的唇邊，起遮蔽和裝飾的作用?？垩b配式密封條的安裝部位是一腔體，一般由海綿橡膠構(gòu)成?？垡欢饲度氲桨惭b腔體內(nèi)，另一端卡入車門上的安裝孔內(nèi)。雙面膠安裝是將密封條底部貼合雙面膠帶，通過膠帶和鈑金連接固定，這種密封條的密封性能較好。嵌入安裝是指將密封條機械地嵌入門框和窗框的安裝特征內(nèi)，這種密封條的固定強度不佳，為了防止脫落，往往需要在密封條的接角區(qū)域增加輔助固定特征或防滑特征。 門洞密封條由于安裝位置已經(jīng)確定，通常它的安裝方式為同周圍零件直接卡接。為了提高密封性能，可在安裝門洞密封條時在卡槽中加入不干膠。 周邊密封條一般采用采用塑料卡扣的安裝方式，但是為了提高密封性能還需要在

45、安裝面上進行涂膠處理，雙面膠帶安裝方法不僅能保證密封條與安裝面的緊密接觸，同時采用雙面膠帶不需要再安裝面打孔，工藝相對于卡扣安裝要簡單，所以這里為了提高工藝性，使裝配流程更短，此處周邊密封條的安裝方式采用3M雙面膠帶固定。周邊密封條1安裝在側(cè)圍上，周邊密封條2安裝在車門上。 3.5密封條斷面生產(chǎn)的可行性確定 根據(jù)上文，門洞密封條采用雙炮管結(jié)構(gòu)，周邊密封條1采用單泡管唇邊結(jié)構(gòu)，周邊密封條2采用無泡管結(jié)構(gòu)；同時這些密封條都為等截面密封條。 當今密封條的生產(chǎn)都采用連續(xù)擠出硫化的工藝，結(jié)構(gòu)簡單的也有采用模具注射的方式生產(chǎn)。擠出工藝現(xiàn)在能實現(xiàn)復(fù)合擠出，即集中材料同時擠出成形，并且采用計算機控制擠出

46、材料的量來實現(xiàn)截面形狀的精準控制。橡膠密封條的復(fù)雜斷面的成型是在機頭內(nèi)進行的?？谛褪鼓z料具有一定的形狀。口型雖然是一種結(jié)構(gòu)簡單的成型口模型，但在幾何尺寸上是很難確定的，一定要通過反復(fù)試驗修改才能生產(chǎn)出的膠條斷面符合產(chǎn)品圖紙要求（也可采用計算機模擬生產(chǎn)來設(shè)計口型）?？谛偷膸缀纬叽珉S著橡膠膠種及配方而變化。用成型模，連續(xù)壓出的制品尺寸不是收縮而是膨脹。所以在口型制作時首先根據(jù)膠料的膨脹率做出形狀與產(chǎn)品斷面相似的口型，產(chǎn)品斷面可以放大10倍作圖。擠出成型模要充分考慮到型口每一部位的膠料擠出阻力與流量的關(guān)系，一定要使擠出的膠料均勻，如某一部位流量大就會引起某一部位斷面厚薄不均，是壓出速度不平衡而造成半

47、成品彎曲或起波紋，可在口型后面加一“壓腳”以增加該部位的壓出阻力，使壓出平衡。 壓出溫度是壓出工藝的關(guān)鍵。一般天然橡膠壓出溫度比合成橡膠的壓出溫度相對高些，但壓出溫度過高或過低均會直接影響壓出速度和產(chǎn)品表面的光滑性。一般是冷機身、溫機頭、熱口型，但溫度的掌握要以保證半成品不自流或表面不發(fā)生毛糙和氣泡為準。 硫化是橡膠類產(chǎn)品必須的一道工藝，老式硫化方法是間接蒸汽或者直接蒸汽法，這種方法生產(chǎn)效率低，質(zhì)量波動大，大批量生產(chǎn)同一規(guī)格或尺寸相近的制品時，就應(yīng)該采取連續(xù)硫化的特型生產(chǎn)流水線，這樣在操作過程中用不著儲存和運送半成品，可以較經(jīng)濟的利用熱能，無粉塵污染之害，對產(chǎn)品質(zhì)量和外觀都有保證。 目前

48、國內(nèi)陸續(xù)引進了不少國外的連續(xù)硫化裝備，有熱空氣烘道連續(xù)硫化設(shè)備，也有微波連續(xù)硫化設(shè)備等。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展對密封膠條也提出越來越高的質(zhì)量要求，除在連續(xù)硫化設(shè)備中采用復(fù)合機頭的復(fù)合型橡膠密封條生產(chǎn)以，還要求表面植絨，提高裝飾的密封性和美感。這些工藝目前國內(nèi)各生產(chǎn)廠商相繼投入使用。 由于橡膠密封條具有可連續(xù)生產(chǎn)的特點，因此適用于多種熱載體的硫化，如鹽浴硫化、熱空氣烘道硫化、高頻硫化、玻璃微珠沸騰床硫化、輻射電子束硫化、遠紅外硫化等。 根據(jù)上面的介紹，目前的國內(nèi)密封條生產(chǎn)工藝能滿足設(shè)計要求。所以密封條斷面確定：門洞密封條為雙泡管結(jié)構(gòu)，周邊密封條1為單泡管加唇邊密封結(jié)構(gòu)，周邊密封條2為無泡管結(jié)構(gòu)。

49、 3.6密封條數(shù)據(jù)設(shè)計 密封條的數(shù)據(jù)設(shè)計主要為密封條壓縮方向的尺寸設(shè)計，其他方向的尺寸由對標車型及設(shè)計者的經(jīng)驗來確定。 3.6.1門洞密封條的數(shù)據(jù)設(shè)計 在密封條的開發(fā)設(shè)計階段，需要考慮車門與車體之間的空隙，來確定密封條與車門或車體之間的干涉量。以干涉量來確定密封條得壓縮量，就壓縮變形量來說，孔的擠壓量不要超過孔內(nèi)徑的50 %，以保證車門密封條隨時都有較好的密封性能。在最佳條件下密封條起密封作用，密封部分的尺寸變形量為孔徑1/3到1/2。車門與車體的自由空間尺寸未受約束時大約為5mm（其中固定體壁厚為2mm，內(nèi)凸緣厚度為1mm，海綿膠壁厚為2mm))。因此，孔徑擠壓時，最佳尺寸必須大于車

50、門與車體間自由空間尺寸公差。即不低于5mm，得到其自由空間尺寸公差為 2.5mm。 圖3-6 擠壓作用下的密封條部分尺寸 設(shè)空間自由尺寸為A，泡管內(nèi)徑為B。 得到如下數(shù)據(jù)： （1） 自由空間尺寸：（mm）； （2） 變化范圍：~（mm）； （3） 密封條最小內(nèi)徑：（mm）； （4） 密封條最大內(nèi)徑：（mm）； （3-1） 簡化上兩式可得到泡管內(nèi)徑的取值范圍為： （3-2） （3-3） 由前文得出的結(jié)論，本文設(shè)計的密封條為等截面密封條，所以此處選取密封間隙的最小值來計算密封條泡管內(nèi)徑的取值。則A=

51、15.951mm，得最小泡管內(nèi)徑取值范圍： 最大泡管內(nèi)徑取值范圍為： 加上密封條泡管壁厚得泡管外徑取值范圍為： 對于載貨汽車來說，通常要求密封條的壓縮量為密封間隙的一半。所以這里我取密封條泡管外徑為23.93mm，在以上的計算范圍之內(nèi)。如圖3-7為門洞密封條的斷面結(jié)構(gòu)和一些相關(guān)的尺寸。 圖3-7 門洞密封條的斷面結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸 3.6.2周邊密封條1數(shù)據(jù)設(shè)計 周邊密封條有前面的結(jié)論選用的是單泡管帶唇邊結(jié)構(gòu)。這根密封條的密封間隙值為從15.182mm到18.805mm，最大值與最小值相差3.623mm。由于周邊密封條的作用為阻擋作用，所以對于周邊密封條1可

52、不必過多的考慮壓縮量的大小。根據(jù)前文結(jié)論的帶泡管的周邊密封條的壓縮量為5-8mm，所以此處取密封條壓縮方向的尺寸為23mm。如圖3-8所示即為周邊密封條1的斷面結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸。 圖3-8 周邊密封條斷面結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸 3.6.3周邊密封條2的數(shù)據(jù)設(shè)計 同周邊密封條1。此密封條的密封間隙為12.044mm到11.812mm。最大值與最小值相差0.132mm，相差值較小，適合使用無泡管密封條，無泡管密封條密封功能依靠唇邊的變形來實現(xiàn)，所以這里需要定出唇邊的壓縮量，有企業(yè)相關(guān)資料得到無泡管密封條的壓縮量為5-8mm。根據(jù)對標車型卻定密封條壓縮方向上的尺寸為17.12mm。 圖

53、3-9 周邊密封條2的斷面結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸 3.7小結(jié) 本章介紹了門密封條的一些技術(shù)，并對門密封條進行了初始的設(shè)計，涉及材料、安裝。重點對密封條的斷面結(jié)構(gòu)進行了初始的設(shè)計。 4.密封條的有限元分析理論 4.1有限理論的發(fā)展 有限元法起源于上世紀四十年代初期。在1943年，當時的數(shù)學家R.庫朗己從數(shù)學上明確提出過有限元的思想，他第一次嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)的最小位能原理求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題。然而,此方法發(fā)展很慢，直到1

54、956年Tumer，Clough，Martin和Topp等人在他們的經(jīng)典論文中第一次給出了用三角形單元求得的平面應(yīng)力問題的真正解答。他們利用彈性理論的方程求出了三角形單元的特性，并第一次介紹了今天人們熟知的確定單元特性的直接剛度法。他們的研究工作探討了早期有限元法的理論，促成了有限元法的誕生，隨當時出現(xiàn)的數(shù)字計算機一起打開了求解復(fù)雜平面彈性問題的新局面。 由于當時的條件有限，計算機剛出現(xiàn)，有限元法的基本思想—離散化的概念沒有引起重視。后來，許多數(shù)學家、物理學家由于各種原因都涉及過有限元的概念。但由于即使一個小規(guī)模的工程問題，用有限元分析都會產(chǎn)生較大的工作量，所以直到1960年后，隨著計算機技

55、術(shù)的發(fā)展，有限元這門特別依賴數(shù)值計算的學科才真正進入了飛速發(fā)展的階段。先是英國的航空學教授J.H.阿吉里斯和他的同事運用網(wǎng)格思想成功地進行了結(jié)構(gòu)分析，他們的研究工作從復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析中發(fā)展出了有限元的雛形。美國的R.W.克拉夫教授在1960年首次使用“有限元法（Finite Element Method）”這一概念。 60年代中、后期，國外的數(shù)學家開始介入對有限元法的研究，促使有限元法有了堅實的數(shù)學基礎(chǔ)，他們對有限元法的發(fā)展做出了重要貢獻。1965年，英國的O.C辛凱維奇和同事Y.K.CEUNG宣布，有限元法適用于所有能按偏分形式進行計算的場問題，使有限元法獲得了一個更為廣泛的解釋，有限元法的

56、應(yīng)用也推廣到更廣闊的領(lǐng)域。有限元法從出現(xiàn)到發(fā)展，經(jīng)歷了從線彈性到彈塑性到彈粘塑性，從解決小變形問題到大變形問題，從靜力問題到復(fù)雜的動力接觸問題直至瞬態(tài)的碰撞響應(yīng)問題的歷程,應(yīng)用范圍也不斷拓展，不斷地走向更為成熟的新階段。 有限元技術(shù)所涉及的內(nèi)容有：有限元法在數(shù)學和力學領(lǐng)域所依據(jù)的理論；單 元的劃分原則，形狀函數(shù)的選取及協(xié)調(diào)性；有限元法所涉及的各種數(shù)值計算方法 及其誤差，收斂性和穩(wěn)定性；計算機程序設(shè)計技術(shù)等。作為利用計算機進行數(shù)值模擬分析的方法，有限元法自上世紀50年代出現(xiàn)，經(jīng)過20多年的發(fā)展，到70、80年代在理論上已比較成熟，作為工程結(jié)構(gòu)靜動力強度析的有效工具，有限元法在工程技術(shù)領(lǐng)域中

57、的應(yīng)用越來越廣泛，有限元的計算結(jié)果己成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)，成為最強有力的數(shù)值分析方法之一。 對于工程技術(shù)人員來說，在求解工程技術(shù)領(lǐng)域的實際問題時，建立基本方程和邊界條件相對容易，但是由于其幾何形狀,材料特性和外部載荷的不規(guī)則性，要求得解析解是很困難的。有限元法把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點處相互連接的子域(單元)構(gòu)成，其模型給出基本方程的分片（子域）近似解。由于單元（子域）可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、材料特性和邊界條件。 由于有限元法在解決工程技術(shù)問題時的靈活、快速及有效性,再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，所以發(fā)展非常迅速。

58、最初有限元法被用來研究飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力問題，目前，其解題范圍己經(jīng)包括了各個領(lǐng)域（固體力學、生物力學、流體場、電磁場、溫度場、聲場）的數(shù)理方程；已經(jīng)成為解數(shù)理方程的一種非常受歡迎的應(yīng)用極廣的數(shù)值計算方法。 4.2有限理論簡介 有限元法的基本思想是將一個實際的結(jié)構(gòu)(彈性連續(xù)體)劃分為有限大小的，有限個數(shù)的單元組合體進行研究。這些單元僅在節(jié)點處連接，單元之間的載荷也 僅由節(jié)點傳遞。這個把連續(xù)體劃分為離散結(jié)構(gòu)的過程稱為有限元的離散化，也叫單元劃分。 利用離散而成的有限元集合體代替原來的彈性連續(xù)體，建立近似的力學模型，對該模型進行數(shù)值計算，通過對這些單元分別進行分析，建立其位移與內(nèi)力之間的關(guān)系，

59、以變分原理為工具，將微分方程化為代數(shù)方程，再將單元組裝成結(jié) 構(gòu)，形成整體結(jié)構(gòu)的剛度方程： KU=Q 式中：K為結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣；U為節(jié)點位移列陣；Q為節(jié)點載荷列陣元。 離散后單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)和數(shù)目應(yīng)根據(jù)問題的性質(zhì)、描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定（一般情況下，單元劃分越細則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量也越大）。所以有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式連結(jié)成的離散物體。這樣做的結(jié)果造成用有限元分析計算所獲得的結(jié)果只能是近似的。如果劃分單元數(shù)目足夠多而合理，則所獲得的結(jié)果就與實際情況相符合。 分析過程中首先從單元分析入手

60、，確定單元內(nèi)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力模式，并確定單元節(jié)點力與單元節(jié)點位移的關(guān)系，建立單元剛度矩陣。根據(jù)離散化結(jié)構(gòu)的聯(lián)接方式，將各個單元剛度矩陣進行組集，得到反映整體結(jié)構(gòu)位移與載荷關(guān)系的 總體剛度方程。通過求解該剛度方程可以得出各個單元的位移，再利用單元分析得到的關(guān)系可以求出單元應(yīng)力及其應(yīng)變?？梢?，有限元分析的主要內(nèi)容是：單元離散化、單元分析、整體分析。 有限元法與傳統(tǒng)的力學方法有很大差別，正是這種差別，使得它能夠把許多 難以求解的問題變的容易處理： （1）由于可任選單元體的形狀和尺寸，故可以“組拼”出形狀復(fù)雜的機械零件。在作應(yīng)力分析時，無需對零件的幾何形狀作過多的簡化，從而提高了解題精度，擴

61、大了可解的范圍； （2）對于應(yīng)力集中區(qū)可以減小單元體尺寸來細加考察； （3）對于各種復(fù)雜類型的外載荷都可以采取適當?shù)姆椒▽⑵浞峙渲凉?jié)點來計算； （4）易于解決有初應(yīng)力、熱應(yīng)力的問題； （5）易于處理材料的不均勻性，對各向異性材料也可求解； （6）可以解決材料的非線性和結(jié)構(gòu)的非線性問題； （7）采用大型的通用有限元程序，可一次計算大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、振動和穩(wěn)定性。 由于計算機的求解方程組的能力非常強大，構(gòu)造模型又非常準確，因而有限元法在計算機上使用極為普遍。有限元方法計算精度高，速度快，可縮短設(shè)計試 制周期和降低成本。目前，優(yōu)秀的繪圖系統(tǒng)軟件都配有有限元分析程序窗口。當

62、圖形繪制完畢，可立即進行網(wǎng)格劃分，并進行強度計算。通過不斷修改圖形和反復(fù)計算，能夠使設(shè)計質(zhì)量大幅度提高。 有限元法可用于各種模擬和分析方法中，在固體力學、流體力學、機械工程、土木工程、電氣工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于其所涉及問題和算法基本上是來源于工程實際，應(yīng)用于工程中，其解決工程實際問題的能力愈來愈強。在汽車域，有限元法可用于建立汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動模型，還可以用于設(shè)計的剛度與變形分析、設(shè)計的應(yīng)力與疲勞分析、碰撞模擬和塑性變形分析等。 4.3橡膠材料與有限元 4.3.1線性有限元問題與非線性有限元問題 線性分析：在外加載荷與系統(tǒng)的響應(yīng)之間為線性關(guān)系。例如，如果一個線彈性彈簧在10N的

63、載荷作用下靜態(tài)的伸長了1m，那么當施加20N的載荷時它將伸長2m。 非線性分析：結(jié)構(gòu)的剛度隨其變形而改變的問題。所有的物理結(jié)構(gòu)均是非線性的。線性分析只是一種方便的近似，它對于設(shè)計來說通常是足夠的。但是很顯然，對于許多的有限元模型包括加工過程的模擬，諸如鍛造或者沖壓、碰撞分析以及橡膠部件的分析，如輪胎或者發(fā)動機支座，線性分析是不夠的。 在結(jié)構(gòu)力學模型中非線性的來源有三種：材料的非線性、邊界的非線性、幾何的非線性。 材料的非線性，像大多數(shù)的金屬在低應(yīng)變值是具有良好的線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但在高應(yīng)變時材料發(fā)生曲服，此時材料的響應(yīng)為非線性且不可恢復(fù)。 邊界的非線性：如果邊界在分析過程中發(fā)生變化，

64、就會產(chǎn)生邊界的非線性問題。比如在分析過程中出現(xiàn)接觸問題。 幾何的非線性：幾何的非線性發(fā)生在位移的大小影響到構(gòu)件的響應(yīng)的情況。這是由于：大撓度或大轉(zhuǎn)動；“突然翻轉(zhuǎn)”（snap through）；初應(yīng)力或載荷剛性化。例如，考慮在端部豎向加載的懸臂梁。如果端部的撓度較小，可認為是近似的線性分析。然而，如果端部的撓度較大，結(jié)構(gòu)的形狀乃至其剛度都會發(fā)生改變。另外，如果載荷不能保持與梁垂直，那么載荷對結(jié)構(gòu)的作用將發(fā)生明顯改變。當懸臂梁撓曲時載荷可以分解為一個垂直于梁的分量和一個眼梁長度方向的分量。這兩種效應(yīng)都會貢獻到懸臂梁的非線性響應(yīng)中。 4.3.2橡膠材料的有限元分析 與普通的金屬材料不同，橡膠材

65、料受力以后，其變形是一個非常復(fù)雜的過程。它的變形隨著大位移和大應(yīng)變。橡膠材料本身又是非線性材料，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，無法像一般金屬材料那樣僅需幾個系數(shù)便可以描述材料特性。此外，橡膠材料另一突出特點是在變形過程中其體積幾乎不變，加之它的力學行為對溫度、環(huán)境、應(yīng)變歷史、加載速率等十分敏感，這樣就使得描述橡膠行為更加復(fù)雜。 同時在有限元分析中通常都會有接觸、摩擦等邊界條件。 如圖4-1為典型的橡膠材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從曲線的趨勢中可以看出其斜率變化巨大，像這種材料行為稱為超彈性（hyperelasticity）。超彈性材料的變形在大應(yīng)變值時（通常超過100%）任然保持彈性。 所以在橡膠的有限元分析

66、中包含了材料的非線性、邊界的非線性和幾何的非線性，是高度的非線性問題。 圖4-1 橡膠的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線 4.4有限元分析軟件ABAQUS 4.4.1ABAQUS簡介 ABAQUS被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學和結(jié)構(gòu)力學系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析,同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS被各國的工業(yè)和研究機構(gòu)廣泛采用,其產(chǎn)品也在大量的高科技產(chǎn)品研究中發(fā)揮著巨大的作用。ABAQUS在不斷豐富其有限元分析的前后處理模塊,也是建模、分析和仿真的人機交互平臺一ABAQUS/CAE的功能的同時,還與其他的CAD、CAE軟件廠商直接合作,開發(fā)嵌入式第三方求解器,如CATIA V5和AVL Excite。 ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件,其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫,并擁有各種類型的材料模型庫,可以模擬典型工程材料的性能,其