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车辆系统动力学：国际车辆力学与流动
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车门密封条的材料特性及其对车辆振动的影响
E. Dikmen a和I. Basdogan a
Koc大学机械工程系，
伊斯坦布尔，土耳其
在线发布：2008年8月28日。
引用本文： E. Dikmen＆I. Basdogan（2008）车门密封条的材料特性及其对车辆振动的影响，《车辆系统动力学》：《国际车辆力学与机动性杂志》，46:11，975-990，DOI ：10.1080 / 00423110701689610
链接到本文：http : //dx.doi.org/10.1080/00423110701689610
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车辆系统动力学
卷 46，第11号，2008年11月，975-990
车门密封条的材料特性及其对车辆振动的影响
E. Dikmen和I. Basdogan *
土耳其伊斯坦布尔Koc大学机械工程系
（2007年4月4日收到；最终版本于2007年9月18日收到）
车门面板的振动特性会受到车门和车身之间沿车门周边使用的密封条的影响。密封条显示出非线性和粘弹性的材料特性，该特性随频率，温度，应变率和振幅以及以前的载荷历史而变化。必须仔细研究密封件的材料特性，以预测汽车在不同负载条件下的振动特性。
在这项研究中，我们开发了密封条的超弹性和粘弹性模型，以预测车门的动态性能及其对整体车辆动力学的影响。为此，首先，使用配有力和位移传感器的自动压头对密封件进行静态压缩和应力松弛实验，然后在ANSYS中利用这些实验的结果开发有限元模型。最后，将密封件的代表性模型集成到车门的有限元模型中，以研究其对车辆振动的影响。使用在有和没有密封的情况下对车门进行的实验模态分析验证了模型预测。据观察，密封件对车辆动力学具有显着影响。
关键词：密封条 超弹性 粘弹性 车辆动力学
1. 简介
汽车挡风雨条密封件沿车门的周边用于车门和车身之间。可以通过各种方法将密封件固定在适当的位置，例如间断的推针，连续的支座和法兰安装座。它们主要用于在所有天气条件下防止水和灰尘进入乘客舱并适应制造变化。
挡风雨条密封件通过改变其刚度和粘弹性来显着影响门的振动。因此，在用于预测车辆动力的仿真模型中，门密封条的准确表示至关重要。为此，必须正确表征密封件的材料性能。
挡风雨条密封通常采用海绵和致密橡胶的双重挤压球的形式。灯泡通常可以具有不同的形状，高度大约为15–30mm。灯泡壁厚通常为几毫米，以在低压缩力下提供最大的密封面积[1]。密封件中使用的橡胶可以承受较大的变形而不会永久变形，并且具有很高的阻尼特性。在存在机械振动的情况下，橡胶的机械性能可能随变形量，先前的载荷历史，温度，频率和运动幅度而变化。
几个小组已经对用于汽车行业的橡胶进行了实验，以表征其机械性能。Lin 等。[2]提出了一种简单的实验方法来评估与频率有关的橡胶支座的刚度和阻尼特性。KrenandVriend [3]使用动态压痕测试来确定橡胶的粘弹性。Fenander [4]在不同的静态预载荷下，在完整的履带和试验装置中，测量了带钉橡胶垫的垂直刚度和阻尼，作为频率的函数。发现带钉的护垫的损耗因数几乎与预载无关，并且随频率而略有增加。Wagner 等。[1]研究了汽车密封条在压缩载荷下的挠度响应（即压缩载荷挠度– CLD –响应）。他们还研究了由于密封件两端的压差而引起的接触压力分布和抽吸（挡风雨条密封件与面对的钣金表面之间的接触损失）。他们使用Blatz-Ko和Mooney-Rivlin超弹性材料模型对密封建模，并将产生的CLD响应与线性响应进行比较。Stenti 等。[5]开发了车门挡风雨条密封的简化模型，并使用商业有限元代码MSC Marc对模型进行了非线性静态和动态分析。通过静态分析获得CLD响应，并使用动态分析研究密封件对门振动模式的影响。Lu 等。[6]使用橡胶底座进行实验，并开发了非线性有限元模型（FEM）来研究其大变形行为。实验结果与从有限元法获得的结果非常吻合。建立了模仿车门和车身的测试结构[7]。在两个框架之间有密封和没有密封的情况下，通过实验获得了结构的固有频率。证实密封件在测试结构中引起了频率偏移。通过有限元分析对这两种情况进行了仿真，并确定了密封条的等效弹簧系数。Valenta和Molnar [8]使用Marc Mentat FEM软件比较了Mooney-Rivlin和Neo-Hooken用于硅橡胶的超弹性材料模型。Gur和Morman [9]使用非线性有限元分析来确定有利于密封系统抽吸的条件。他们研究了初始密封高度，形状，厚度，本构模型，摩擦力以及由于门关闭对吸气造成的压缩（密封与门的相对金属表面之间的接触损失）的影响。
在这项研究中，我们开发了一种方法来使用实验方法和有限元建模技术来表征密封条的粘弹性和超弹性材料特性。本研究中研究的密封条是由乙丙丙烯二烯单体（EPDM）海绵橡胶制成的。我们使用配备了力和位移传感器的机械压头进行了静态压缩和应力松弛实验，以表征密封件的超弹性和粘弹性行为.ANSYS中开发了反解以获取超弹性和粘弹性材料系数。为此，构建了密封几何形状的有限元模型，并通过ANSYS中的优化工具箱确定了模型的材料系数。
为了确定密封条的密封性和边界条件对车门动力学的影响，使用密封条的等效线性弹簧模型构造了车门的有限元模型。简化的弹簧模型使挡风雨条密封件可以在全尺寸车辆有限元模型中轻松显示。它还显着降低了计算成本，并且可以对门和车辆本身进行数值模态分析。从有限元法获得的结果与在两种不同设置下对实际车门进行的实验获得的结果进行了比较。在第一个实验设置中，车门用弹性绳子悬挂在支撑框架上，以模拟自由边界条件。在第二个中 车门安装在车身上，整个结构通过空气弹簧悬挂。使用实验和数值模态分析技术研究了密封条对车门和车辆本身振动的影响。
2. 非线性材料建模
橡胶表现出以超弹性模型为特征的非线性力对位移响应。在类似橡胶的材料建模中的挑战之一是在许多选择中选择合适的超弹性材料模型。每个超弹性模型都用不同的应变能函数描述[1，5]。
本节总结了确定最合适的密封条超弹性模型所遵循的步骤。我们首先使用不同的应变能函数在ANSYS中开发了密封件的非线性有限元模型。这些函数的材料系数通过曲线拟合计算得出，该曲线拟合自密封件制造商获得的实验数据。该数据包括在明确定义的条件下对密封“材料”执行的拉伸，剪切和压缩测试的结果，而没有考虑密封几何形状的影响。通过曲线拟合估计系数后，模拟压缩试验ANSYS。通过逐渐增加载荷并记录每个时间步长处密封件的位移，可以获得不同应变能函数的密封件的CLD响应。然后将这些结果与使用我们的机器人压头对“实际”密封几何形状进行的实验压缩测试的结果进行比较，以找到最佳匹配。请注意，制造商的数据仅适用于密封材料，由于实际几何形状在大变形分析中起着重要作用，因此有必要对实际密封几何形状进行实验。
2.1. 密封条的有限元模型
构建了密封的网格化几何模型（参见图1），然后以初始图形交换规范（IGES）格式导入到ANSYS。密封件的二维有限元分析是在平面应变假设下开发的，因为深度没有变形方向。在逆分析过程中，使用2D模型还可以大大减少FEM计算的数量。具有超弹性，粘弹性，大挠度和大应变能力的平面182单元用于构造FEM。
图1. 挡风雨条密封件的有限元分析（a）压缩前和（b）压缩后。
2.2. 超弹性材料模型
超弹性是指可经历可恢复的大弹性应变的材料[10]。橡胶等弹性体和许多其他聚合物材料属于此类。超弹性材料的本构行为通常源自应变能势。超弹性材料模型假设材料的响应是等温的。该假设允许以应变不变性或主拉伸比表示应变能势。单轴拉伸的拉伸比基本上定义为[10]
lambda; = L / L 0 = 1 ε euml; （1）
其中L和L 0是最终和初始长度和ε Euml;是工程应变。有三种主要的拉伸比lambda; 1，lambda; 2，lambda; 3，其可以被用来定义应变能量潜力。主拉伸比lambda; 1 和lambda; 2表征平面内变形而lambda; 3定义外的平面中的变形。应变不变量是应变的量度，其独立于用于测量应变的坐标系。通常，在应变能函数中使用三个应变不变式，它们根据主拉伸比定义为
（2）
超弹性材料的本构行为通常源自应变能势。应变能势（通常表示为W）是主拉伸比或应变不变量的函数。不可压缩材料的应变能函数的体积（带下标b）和偏角（带下标d和bar）项可以分开，如下所示：
w ^ = w ^ d（I ＆OverBar; 1 ，我ˉ 2 ） w ^ b（J） （3）
w ^ = w ^ d（lambda; ＆OverBar; 1 ，lambda; ˉ 2 ，lambda; ˉ 3 ） w ^ b（J）（4）
其中J为最终体积的初始体积和lambda;的比值p = Ĵ - 1/3 lambda; P和I ＆OverBar; p = Ĵ - 1/3我P对于p = 1，2，和3。
有许多不同的超弹性材料模型。我们的方法的第一步是为随后的分析确定最合适的密封超弹性模型。为此，我们首先通过曲线拟合来确定密封材料的实验数据（从制造商那里获得），从而确定超弹性模型的材料系数，而无需注意密封几何形状（请注意，我们还使用实际的密封几何形状进行了实验，稍后再讨论）。从制造商处获得的实验数据包括对EPDM海绵橡胶样品进行的简单拉伸，压缩和剪切测试的结果。表1汇总了针对不同应变能势函数获得的材料系数以及估算的系数。b）由于没有有关体积变化的数据而被忽略。我们的分析中使用的超弹性材料模型的简要说明如下：
（1）Mooney-Rivlin模型： Mooney-Rivlin模型公式简单，因此在许多超弹性应用中得到了广泛应用。ANSYS中有二，三，五和九项的Mooney-Rivlin模型。两项Mooney-Rivlin模型有效
表1. 估算的材料常数和用于估算的曲线拟合算法。
到90–100％的拉伸应变，但是模拟大应变下的刚性行为不是很准确。仅采用两项门尼-里夫林模型[10]，也无法很好地描述材料在压缩载荷下的行为。两项Mooney-Rivlin模型的应变能函数为
w ^ = Ccedil; 10（I 1 - 3） Ccedil; 01（I 2 - 3）， （5）
其中c 10和c 01是材料系数。通过对ANSYS中的实验数据进行曲线拟合来计算材料常数c 10，c 01。
(2) Arruda-Boyce模型： Arruda-Boyce形式是基于统计力学的模型，通常限于300％应变[10]。Arruda-Boyce模型的应变能函数为
（6）
数C i 定义为C 1 = 1/2，C 2 = 1/20，C 3 = 11/1050，C 4 = 19/7050，C 5 = 519/673750。材料常数mu;和lambda; 大号分别通过曲线拟合确定在ANSYS的实验数据。
(3) Ogden模型： Ogden形式直接基于主要拉伸比而不是应变不变式，并定义为 （7）
Ogden模型可能适用于高达700％的应变[10]，但在计算上比其他一些模型更昂贵。材料系数mu; 1和alpha; 1 ，估计用于通过曲线拟合的一阶模型奥格登在ANSYS的实验数据。
(4) Blatz-Ko模型： Blatz-Ko模型更常用于可压缩泡沫型橡胶的建模。Blatz–Ko模型的应变能势函数为
（8）
其中，mu;是材料常数，由曲线拟合确定。
(5) Gent模型：Gent模型的应变能函数为：
（9）
其中材料常数mu;和J m 通过曲线拟合确定。
2.3. 静态压缩实验
为了找到与密封
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