劉懷現(xiàn)，劉元順，朱建偉編譯

(1.青島愛博爾管理咨詢有限公司，山東 青島 266200;2.青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司 山東 青島 266200;3.瑞源橡塑制品有限公司，河北 衡水 053500）

汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢是以更快的速度和更低的成本開發(fā)出更好的產(chǎn)品，這使得人們需要模擬模型而不是測試樣機(jī)。建模需要一個(gè)可以表征橡膠和其他正在開發(fā)應(yīng)用的具有明顯形變橡膠材料的實(shí)驗(yàn)室。除了定義設(shè)計(jì)參數(shù)外，還要用高端軟件對橡膠的典型應(yīng)用進(jìn)行分析，這包括接觸、大形變和超彈性材料響應(yīng)非線性現(xiàn)象。

本文介紹了建立準(zhǔn)靜態(tài)橡膠制品模型所必需的一些與橡膠有關(guān)的試驗(yàn)。它也介紹了代表汽車工業(yè)用橡膠部件的生產(chǎn)者和用戶完成的幾項(xiàng)分析研究報(bào)告。計(jì)算機(jī)預(yù)測數(shù)據(jù)均在對物理樣機(jī)測試結(jié)果的5%以內(nèi)。

1 汽車行業(yè)

汽車行業(yè)包括范圍廣泛，涉及設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、營銷和銷售汽車的公司和組織。按收入計(jì)算，它是世界上最大的經(jīng)濟(jì)部門之一。即使在交付給最終用戶后，沒有專門負(fù)責(zé)汽車維修的部門，如汽車修理店和汽車加油站。

汽車工業(yè)始于19世紀(jì)60年代，有數(shù)百家制造商率先開發(fā)了這種老式汽車。幾十年來，美國(U.S.)汽車總產(chǎn)量居世界首位。1929年，在大蕭條之前，世界上有32 028 500輛汽車在使用，其中90%以上是美國汽車工業(yè)生產(chǎn)的。當(dāng)時(shí)，美國每4.87人就有一輛車。第二次世界大戰(zhàn)后，美國生產(chǎn)了世界上大約75%的汽車。1980年，美國被日本趕超，到2006年，日本的產(chǎn)量勉強(qiáng)被美國超過，直到2009年，中國以1 380萬輛汽車位居榜首。2012年中國制造了1 930萬輛汽車，幾乎達(dá)到美國產(chǎn)量1 030萬輛的兩倍；而日本排在第三位，產(chǎn)量只有990萬輛汽車。從1970年(140種)到1998年(260種)到2012年(684種)，美國的汽車型號呈指數(shù)增長。

2007年，全世界大約有8.06億輛轎車和輕卡在路上行駛，每年消耗的汽油和柴油超過9800億升（9.8億m3）。汽車是許多發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的主要交通工具。2014年，波士頓咨詢集團(tuán)（Boston Consulting Group）底特律分公司表示，全球三分之一的需求來自金磚四國（BRIC）的四個(gè)市場（巴西、俄羅斯、印度和中國），而在發(fā)達(dá)國家，由于年輕一代（在高度城市化地區(qū)）更喜歡其他交通方式，汽車行業(yè)的發(fā)展將放緩。根據(jù)J.D.Power的一項(xiàng)研究，2010年包括伊朗和印度尼西亞在內(nèi)的新興市場占全球輕型汽車銷量的51%，即使是在金磚四國，這一趨勢后來也有所放緩。

1.1 汽車工業(yè)的安全問題

安全是一種意味著免受風(fēng)險(xiǎn)、危險(xiǎn)、損害或傷害的狀態(tài)。在汽車工業(yè)中，安全意味著使用者、經(jīng)營者或制造商不會(huì)面臨來自機(jī)動(dòng)車或其零部件的風(fēng)險(xiǎn)或危險(xiǎn)。實(shí)際汽車的安全性意味著沒有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

汽車工業(yè)的安全性尤其重要，因此受到高度監(jiān)管。汽車和其他機(jī)動(dòng)車輛必須符合當(dāng)?shù)鼗驀H的規(guī)范和法規(guī)，才能進(jìn)入市場。ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)汽車功能安全的最佳實(shí)踐框架之一。

在汽車設(shè)計(jì)或制造過程中，如果出現(xiàn)安全問題、危險(xiǎn)、產(chǎn)品缺陷或程序錯(cuò)誤，制造商可以要求退回一批或整個(gè)生產(chǎn)批次。這個(gè)過程被稱為產(chǎn)品召回，存在于每個(gè)行業(yè)，可以是與生產(chǎn)相關(guān)的，也可以是與原材料相關(guān)。

在供應(yīng)鏈的不同階段進(jìn)行產(chǎn)品和操作測試以及檢查，以確保最終用戶的安全并符合汽車行業(yè)的要求，從而避免這些產(chǎn)品被召回。然而，汽車行業(yè)仍然特別關(guān)注產(chǎn)品召回，這造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)后果。

1.2 汽車產(chǎn)品開發(fā)

為了驗(yàn)證一種材料或產(chǎn)品，迄今為止，汽車工業(yè)一直依賴于大量的、漫長的和重復(fù)的試驗(yàn)。特別是橡膠，先混煉，然后測試，然后改變配方，然后將新的混煉膠制成新的樣品進(jìn)行測試。此外，樣機(jī)是用來測試的，其結(jié)果被用來改變混煉膠配方、成型或工藝，因?yàn)樾碌臉訖C(jī)還要進(jìn)一步測試，直到制造出滿意的產(chǎn)品。實(shí)際上，即使能做任何分析，也很少在制造產(chǎn)品之前進(jìn)行分析（也就是說在推出產(chǎn)品、加工模具、手工樣機(jī)和進(jìn)行測試之前）。相反，在發(fā)生問題后，在排除問題過程中分析開發(fā)過程是作為最后的辦法來要求的。

開發(fā)汽車橡膠和橡膠產(chǎn)品的這種循序漸進(jìn)的方法延遲了其進(jìn)入市場的時(shí)間，任何一系列的橡膠混煉、加工、樣機(jī)制作和測試通常都需要數(shù)周到數(shù)月的時(shí)間。此外，樣機(jī)設(shè)計(jì)過程中的任何更改都會(huì)增加過程的預(yù)算；浪費(fèi)了很多的時(shí)間和金錢，以后的機(jī)會(huì)就會(huì)發(fā)生變化。最后,計(jì)算機(jī)輔助制造/工程(CAM / CAE)或計(jì)算流體動(dòng)態(tài)/有限元分析(CFD / FEA)的有限集成造成設(shè)計(jì)效率低下和缺乏創(chuàng)造力。僅憑經(jīng)驗(yàn)是不夠的，因此需要使用現(xiàn)代工具和模擬，因?yàn)檫@些工具和模擬是可以復(fù)制的。此外，公司往往會(huì)在遇到任何問題時(shí)都會(huì)停下來，因?yàn)樗麄儙缀醪粫?huì)花時(shí)間、金錢或興趣來試圖通過模擬優(yōu)化來解決遇到的問題。事實(shí)上，建模將有助于進(jìn)一步達(dá)到材料、設(shè)計(jì)和工藝的最佳匹配，以便優(yōu)化故障排除。

1.3 橡膠有限元分析

有限元分析（在工業(yè)中通常被稱為FEA，或者在歐洲被稱為FEM）在汽車工業(yè)的部件和總成的設(shè)計(jì)中得到了越來越多的應(yīng)用。任何此類分析都可以是線性的，則相對簡單；如果材料表現(xiàn)為非線性，但結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生大變形或者組件中的零件彼此接觸，則比較復(fù)雜；因此，在橡膠應(yīng)用中，明顯偏離線性，使這些分析完全非線性。

描述線性材料只需要進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)和使用雙軸拉伸機(jī)。應(yīng)力可以通過試樣橫截面的縮頸進(jìn)行校正；橫向（或厚度）與縱向應(yīng)變之比稱為泊松比。然而，橡膠經(jīng)歷了四種變形模式，包括單軸、等雙軸、平面和體積，可以是拉伸或壓縮模式，這使“零時(shí)”表征橡膠所需的測試次數(shù)達(dá)到了8次。

幸運(yùn)的是，Trealor觀察到單軸拉伸和等雙軸壓縮的等價(jià)性。橡膠幾乎是不可壓縮的，因此等雙軸拉伸和壓縮相當(dāng)于單軸壓縮和拉伸，而單軸拉伸和壓縮是獨(dú)立的，單獨(dú)平面拉伸是不夠的。

管理層要考慮的一個(gè)問題是通過有限元分析進(jìn)行設(shè)計(jì)的成本。如果軟件、硬件、培訓(xùn)和維護(hù)的成本得到評估，可以在內(nèi)部開發(fā)材料特性和有限元分析。根據(jù)需要，他們也可以來自第三方公司，如WIDL。

2 橡膠總成的建模

以下各節(jié)重點(diǎn)介紹橡膠特性，這是在準(zhǔn)靜態(tài)（即緩慢遞增）負(fù)荷和形變下對橡膠產(chǎn)品進(jìn)行建模所必需的。本節(jié)還介紹了WIDL針對加拿大和美國汽車行業(yè)橡膠部件模具完成的相關(guān)研究。

2.1 后定位器制造公差指南

福特汽車公司選擇溫莎工業(yè)發(fā)展實(shí)驗(yàn)室（WIDL）來評估在機(jī)罩下壓入式動(dòng)態(tài)密封系統(tǒng)中將經(jīng)過機(jī)械加工的鋁制后保持架轉(zhuǎn)換為環(huán)氧乙烯基酯復(fù)合材料的可行性。最初的樣件失敗了，因?yàn)槌尚凸顚?dǎo)致塑料和橡膠部件之間的不匹配（圖1）。

因此建立了一個(gè)測試和分析程序來幫助解決這個(gè)問題。檢查樣件的尺寸以確定塑料模具的潛在能力。WIDL的表征包括測試Viton（用于后定位器的動(dòng)態(tài)密封）的應(yīng)變能密度模型。更多的關(guān)于橡膠的試驗(yàn)探討了摩擦、密封的最小壓力、橡膠與鋼板之間的剪切黏結(jié)以及抗拉強(qiáng)度。表征還獲得了環(huán)氧乙烯基酯的性能（楊氏模量、泊松比和拉伸應(yīng)力）。WIDL試驗(yàn)在典型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩下溫度進(jìn)行（從-40 ℃到+150 ℃）（圖2）。

圖1 后定位器、動(dòng)態(tài)和PIP（被壓到位）密封件

圖2 塑料拉伸試驗(yàn)至失效

后定位器組件的完全非線性有限元模型使用了Marc（http://www.mscsoftware.com）。 模型包括形變體之間的接觸、定位孔與密封件之間的密封以及密封件與各種剛體（圓形彈簧、嵌件和固定板以及軸）密封（圖3）。

圖3 在MMC和高溫下將動(dòng)態(tài)密封件插入定位器

在WIDL上監(jiān)測進(jìn)入后定位器孔的密封件的變形。特別繪制了內(nèi)應(yīng)力和接觸壓力曲線。后定位器孔對殼體密封件插入的反作用力與預(yù)測值相比在5%以內(nèi)。

分析是在材料允許的最小和最大（LMC和MMC）條件下確定密封性和強(qiáng)度。LMC確保有效接觸而不泄漏，同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)保持與旋轉(zhuǎn)軸的密封。MMC允許評估橡膠和鋼嵌件之間的黏合強(qiáng)度，以及后定位器最薄弱部分的黏合強(qiáng)度。分析說明了零件尺寸的變化（熱膨脹/收縮）；它們隨溫度變化而改變材料性能。

在流動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，纖維的真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)定義了熱固性塑料的物理行為。

借助FEA在-40℃下對環(huán)形密封墊進(jìn)行泄漏測試，以確保后定位器成型的LMC的建立。 還可以建立MMC，以確保塑料殼體的最薄若弱部分能承受高溫下的徑向膨脹。建模有助于檢查應(yīng)用程序的故障原因，并避免在工具、樣件制作和樣件測試中的“試驗(yàn)和錯(cuò)誤”，這是一種廣泛而昂貴的方法。不幸的是，機(jī)會(huì)窗口關(guān)閉了，因?yàn)槊芊饧?yīng)商沒有動(dòng)力切換成另一種殼體材料和供應(yīng)源（對于已經(jīng)通過鋁制定位器驗(yàn)證的產(chǎn)品），塑料件供應(yīng)商在解決金屬到塑料切換的反復(fù)試驗(yàn)中浪費(fèi)了超過10個(gè)月的時(shí)間。

2.2 復(fù)合軟管扣壓

眾所周知，橡膠成分的分析是完全非線性的。橡膠在負(fù)荷或形變下確實(shí)會(huì)明顯變形。它對變形的反應(yīng)是非線性的，此外，它經(jīng)常用于接觸。在處理復(fù)合軟管的扣壓時(shí)，分析難度會(huì)更高。這可以通過許多接觸體（變形接頭、套筒、橡膠和剛性模具）的存在來解釋。增強(qiáng)織構(gòu)的正交各向異性和卷曲速度（應(yīng)變敏感性）增加了泄漏的可能，流體扣壓組件的相互作用，回彈等的復(fù)雜性。材料屬性隨方向（x，y或z）的變化。

一家向汽車工業(yè)提供變速箱流體軟管總成的大型公司與WIDL簽約，開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)模型，該模型可以模擬扣壓（復(fù)合）軟管的制冷劑泄漏。目的是預(yù)測多層軟管的最佳扣壓，并避免對樣件的嘗試試驗(yàn)。案例研究的重點(diǎn)是由兩層異丁基橡膠制成的軟管，中間部分主要由聚酯織物制成。將軟管在接頭上拉伸，并將外部套筒以不同扣壓比扣壓進(jìn)行測試。有時(shí)，高扣壓比會(huì)使接頭塌癟，測試總成被丟棄。 此外，每個(gè)總成的耐久性測試通常需要數(shù)周才能完成（圖4）。

圖4 軟管扣壓CAD

最初，橡膠樣品在WIDL模制，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)和測試以適應(yīng)應(yīng)變能密度函數(shù)。分別從英國的鋁業(yè)協(xié)會(huì)和法國的Pichnet獲得了制造接頭和套筒的合金棒，進(jìn)行了彈性體-塑性應(yīng)變測試。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下拉伸紗線（用于織物的基礎(chǔ)）。纖維的機(jī)械性能是基于纖維和橡膠基體的特性，在WIDL的內(nèi)部碼中（圖5）。將纖維線的屬性輸入非線性正交各向異性模型（包括大變形、接觸以及超彈性和塑性材料行為）。

圖5 紗線張力試驗(yàn)

用于分析的弧形非線性軟件，現(xiàn)在是加利福尼亞州的MacNeal Schwendler Corporation的產(chǎn)品。（有關(guān)該軟件的更多信息，請參閱http://mscsoftware.com）。

在計(jì)算機(jī)模擬之后，在汽車供應(yīng)商處進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），密封軟管的扣壓比為23%。 確定了泄漏的開始時(shí)間，圖表顯示考慮了使用各種異丁環(huán)墊圈的壓縮情況下的流量，其中涉及空氣泄漏測試。收集負(fù)荷下鋁合金間的這些信息，以模仿接頭和套筒的內(nèi)表面光潔度（圖6）。

圖6 三層軟管的模擬扣壓

從那時(shí)起，WIDL的其他橡膠織物復(fù)合材料項(xiàng)目就著眼于隔膜、鴨嘴式止回閥和輪胎。

2.3 電氣連接器組裝簡便

用于汽車電氣連接器密封件的設(shè)計(jì)有兩個(gè)相互影響的因素，包括低摩擦系數(shù)以確保最小的組裝力，以及充分的壓縮以保證在車輛的整個(gè)使用壽命內(nèi)的密封效果。

為了避免反復(fù)試驗(yàn)，歐洲汽車工業(yè)電氣連接器供應(yīng)商要求WIDL協(xié)助開發(fā)14路電氣連接器總成。公司之間的工作分為四個(gè)主要部分：

（1）對橡膠進(jìn)行表征以制作密封件，并定義設(shè)計(jì)參數(shù)；

（2）建立連接器總成案例研究的數(shù)學(xué)模型 ；

（3）用試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)數(shù)值預(yù)測（案例研究）；

（4）優(yōu)化14路連接器系統(tǒng) 。

在案例研究中，考慮了在一級供應(yīng)商處生產(chǎn)的10向連接器，該連接器包括陰陽塑料配合以及多圈密封（圖7）。

建議使用美國有機(jī)硅公司的自潤滑橡膠。一小批在WIDL中模壓在按鈕、薄板和環(huán)形墊圈上。將它們在23 ℃和50%相對濕度的環(huán)境室中儲存24 h。在單軸拉伸和壓縮以及平面拉伸下的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中，確定了剪切力。

進(jìn)行可壓縮性值以得出靜水壓條件下真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的曲線擬合多項(xiàng)式。在每種變形模式下測試了5個(gè)樣本，以確保所收集數(shù)據(jù)的整體可重復(fù)性。

圖7 改進(jìn)的密封件和陽連接器

此外，摩擦常數(shù)是由沿塑料基材拖動(dòng)橡膠樣品得出的。記錄反應(yīng)的各種速度、重量和潤滑劑。開發(fā)的數(shù)據(jù)允許在FEA中定義庫侖的摩擦模型（圖8）。

圖8 測試硅膠密封圈的摩擦力

在WIDL進(jìn)行了涉及密封的最小壓力的更多測試。對密封環(huán)進(jìn)行了氣壓泄漏測試，以確定在“時(shí)間為零”時(shí)開始密封。黏彈性測試（壓縮應(yīng)力松弛或CSR）允許“及時(shí)”推斷結(jié)果。

向客戶提供了生產(chǎn)密封件和組件（陰陽連接器）的藍(lán)圖。 在Pro / E（http://www.ptc.com）中，該密封件是作為實(shí)體制成的。組件呈現(xiàn)兩個(gè)對稱平面。因此，僅需進(jìn)行四分之一的密封和塑料部件即可提供最終模型（圖9）。

該模型使用接觸和約束邊界條件。在FEA中，連接器在與變形橡膠接觸時(shí)被認(rèn)為是剛性的。另外，可以注意到，建模包括對稱地垂直于切口固定的節(jié)點(diǎn)。陽連接器上的密封件擴(kuò)展，沿裝配軸線（左自由）增加了約束，以消除剛體運(yùn)動(dòng)。將陽連接器分為兩個(gè)筆直部分和一個(gè)圓形區(qū)域，將橡膠拉伸到位。通過Mentat（http://www.marc.com）中的表格指定了接觸條件和運(yùn)動(dòng)學(xué)。

圖9 1/4原始密封裝配

已確定Marc中10路連接器的模型與測試組件的誤差5%之內(nèi)。14路連接器密封件的設(shè)計(jì)減少了橡膠與配合件之間的接觸。這增加了密封壓力并減小了裝配應(yīng)力。

通過對主連接器進(jìn)行修改，進(jìn)一步簡化了14路連接器的組裝，使容納密封件的陽連接器的通道變得平滑。經(jīng)過三周的材料表征和有限元分析，對設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。原型設(shè)計(jì)基于分析，通過在承包商公司進(jìn)行的測試證明是準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

汽車工業(yè)中發(fā)展更快、更輕、成本更低的產(chǎn)品的趨勢帶來了對仿真而不是對樣機(jī)進(jìn)行測試的需求。為了成功進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬測試，需要將兩種成分結(jié)合起來，包括材料表征和計(jì)算機(jī)（有限元）建模。

本文展示了模擬橡膠產(chǎn)品在汽車工業(yè)中的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。這篇文章回顧了一些關(guān)于橡膠先決條件的測試，這些測試是建立模型的基礎(chǔ)，該模型將模擬成品橡膠產(chǎn)品的性能。它還提出了一些旨在確保有限元模型準(zhǔn)確性的測試。

盡管有限元分析已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛接受，但在橡膠工業(yè)中仍很少使用。由于橡膠對負(fù)和形變的非線性和黏彈性響應(yīng)，因此類似橡膠的材料更難以表征。而且，橡膠產(chǎn)品經(jīng)常會(huì)發(fā)生很大的變形并在接觸中使用，從而使橡膠分析完全非線性（從材料、幾何和邊界條件的角度）。有限元軟件直到最近才解決了足夠的非線性效應(yīng)。但是成本和學(xué)習(xí)曲線仍然是阻礙建模在橡膠產(chǎn)品開發(fā)中廣泛使用的障礙。另外，虛擬樣機(jī)可以根據(jù)需要從第三方公司（例如WIDL）獲得。

編譯自《Rubber World》No.1/2020