淺談CAE技術和多軸拉伸試驗機在汽車密封制品中的應用 

高鐵檢測儀器

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

關鍵詞：橡膠密封制品；有限元分析；CAE；等軸拉伸 

隨著汽車工業技術的不斷發展，尤其是隨著大眾對環保問題關注度增高，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、零部件的綠色變革^[1]。

根據《汽車密封條行業“十一五"規劃研究報告》，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。除了要具有優良的密封性和環境隔離功能外，對其舒適性、裝飾性安全性、耐久性和環保性等性能也提出了相關要求。這也使得未來密封條的結構設計需要更加合理，工藝更加優良.

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

 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。針對汽車密封條結構的有限元分析，根據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、彎曲及多種復合形式。

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

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，呈現出典型的非線性材料特征，并對應力、時間、環境等表現出較強的依賴性，隨著制品老化會出現硬化或者軟化的現象。因此，在CAE設計時首先就要選定一個最合適材料本構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、材料特性曲線，并與建立的材料模型獲得良好匹配。綜合密封條結構分析對結構建模及邊界條件的敏感度，設定合理的邊界條件，提高對密封條結構變形特性的模擬精度，為密封條結構設計提供有價值的指導依據。

隨著對橡膠材料本構關系不斷深入的研究，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。當橡膠材料在發生大變形時通常作為超彈性材料處理，因此可使用基于應變能密度函數的本構模型來描述^[3]。

在研究材料本構關系的同時，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據。

密封條的橡膠材料在實際工況中受力-變形復雜多變，任何單一的應力-應變狀態并不能充分模擬材料真實的變形，而需要多種“純"應變狀態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，因此呈現出存在拉伸和剪切應變的非純壓縮應變狀態。而且此過程中無法測定其摩擦系數，所以試驗數據無法進行有效修正。理想的單軸壓縮狀態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，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響應、應力分布情況，并通過測試數據結果自動分析判斷結構設計的失效位置和結構安全疲勞性能，從而實現對產品使用壽命的預判。

總結

目前針對橡膠材料的有限元分析，國內外均暫時缺乏統一的材料試驗標準。而采用傳統試驗設備及測試夾具無法得到準確的材料物性測試數據，從而無法建立準確詳實的基礎材料數據庫，并影響后續分析工作的準確性。因此也迫切需要盡快出臺統一的測試標準，盡可能采用等軸拉伸測試數據，才能有效提升CAE分析設計的效率和水平，減少研發周期，提升產品的質量。

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計趨勢[J]．研究與開發，2010，(2)：68-69．

[3] 匡震邦．非線性連續介質力學基礎[M]．西安：西安交通大學出版社，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構改進研究[D].上海：上海交通大學，2010.