王林林，王安迎，王 偉

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

橡膠密封條是塑鋼窗密封的關(guān)鍵部件，可以起到有效的防塵、防水、減震、降噪、保溫和密封作用[1]，綜合性能優(yōu)異，是近年來(lái)應(yīng)用較廣的新一代門(mén)窗密封條。塑鋼窗橡膠密封條的密封性能主要來(lái)源于橡膠材料的高彈性與體積不可壓縮性[2]，在使用過(guò)程中，密封條會(huì)發(fā)生熱氧老化等現(xiàn)象，使其密封性能下降，產(chǎn)品的使用壽命降低。隨著計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，具有成本低、周期短、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并取得了一定成效[3-4]。因此，借助有限元方法對(duì)塑鋼窗橡膠密封條進(jìn)行仿真分析，能夠有效地評(píng)估產(chǎn)品的老化性能，預(yù)測(cè)密封性能的可靠性，具有重要的工程價(jià)值。

本文利用ABAQUS軟件，對(duì)塑鋼窗用橡膠密封條老化后的變形、應(yīng)力分布及失效部位進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)密封條老化后密封性能的可靠性。

1 塑鋼窗橡膠密封條有限元模型建立

1.1 幾何模型建立

根據(jù)塑鋼窗橡膠密封條與金屬框架之間的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)[5]，橡膠密封條工作時(shí)所受的外界載荷方向平行于其結(jié)構(gòu)的橫截面，可看作平面應(yīng)變問(wèn)題，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，對(duì)其幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化得到二維平面模型，所建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 橡膠密封條的有限元分析模型

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分過(guò)程中，橡膠密封條采用四邊形雜交單元，共有752個(gè)節(jié)點(diǎn)，623個(gè)單元，能夠得到較為精確的計(jì)算結(jié)果。

1.2 橡膠材料的本構(gòu)模型

塑鋼窗橡膠密封條常使用三元乙丙橡膠(EPDM)[6]，它可看作各向同性的、體積近似不可壓縮的橡膠材料，在變形中體積變化極小，密封效果較好。因此，要選用超彈性本構(gòu)模型來(lái)描述其非線性彈性行為[7-8]，金屬框架可看作離散剛體。

為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先按照GB/T 3512—2001[9]，在120 ℃下對(duì)EPDM進(jìn)行老化試驗(yàn)，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d。然后，對(duì)不同老化程度的橡膠試樣分別進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，利用得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取不同的本構(gòu)模型進(jìn)行材料參數(shù)擬合，最終選擇了擬合精度最高的Yeoh本構(gòu)模型。

該模型的應(yīng)變能函數(shù)關(guān)系如式(1)所示[10]：

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度，I1為第一格林應(yīng)變不變量，C10、C20、C30為Rivlin系數(shù)。在應(yīng)變較小的情況下，參數(shù)C10表示剪切模量；在應(yīng)變中等的情況下，參數(shù)C20表示橡膠材料發(fā)生的軟化現(xiàn)象，其值為負(fù)數(shù)；在應(yīng)變較大的情況下，參數(shù)C30可以描述橡膠材料的硬化現(xiàn)象。

Yeoh本構(gòu)模型在橡膠大變形條件下的模擬精度較高，它可以通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行材料的參數(shù)擬合，進(jìn)而利用得到的擬合參數(shù)去預(yù)測(cè)其他變形的力學(xué)行為。該模型與橡膠的力學(xué)行為比較符合，并且具有形式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

1.3 邊界條件及加載方法

塑鋼窗橡膠密封條在裝配時(shí)，左側(cè)與金屬框架約束為固定狀態(tài)，右側(cè)為過(guò)盈裝配，依靠其自身的過(guò)盈配合固定于工裝上。對(duì)此工況下未老化的橡膠密封條進(jìn)行有限元分析，可求得：當(dāng)過(guò)盈量為1.985 454 mm時(shí)，密封條右側(cè)所受到的支反力為28.3 N。

當(dāng)關(guān)閉塑鋼窗時(shí)，施加相同的外力，橡膠密封條的壓縮變形量越大，表明其彈性性能越好，老化程度越低，密封效果越好。因此，使剛體與橡膠密封條右側(cè)處于恰好接觸的初始狀態(tài)，然后對(duì)密封條右側(cè)施加大小為28.3 N的載荷，再次進(jìn)行有限元計(jì)算，得到密封條在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d的變形情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力分布分析

圖2為在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)塑鋼窗橡膠密封條在水平方向的應(yīng)力分布云圖。由圖2可知，密封條的最大壓應(yīng)力主要分布于其兩個(gè)凹槽部位，而其對(duì)側(cè)的拉應(yīng)力最大，這是由密封條的幾何結(jié)構(gòu)決定的，并且隨著老化時(shí)間的推移，密封條在工作時(shí)所受到的最大應(yīng)力也逐漸變大。拉應(yīng)力越大的區(qū)域，越容易誘發(fā)裂紋，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，該部位會(huì)過(guò)早老化，致使整個(gè)橡膠密封條出現(xiàn)早期失效。

圖2 不同老化時(shí)間密封條的應(yīng)力云圖

2.2 變形量分析

圖3為在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)塑鋼窗橡膠密封條在水平方向的位移分布云圖。由圖3可知，密封條左側(cè)與塑鋼窗金屬框架固定，變形量為0，密封條右側(cè)在工作時(shí)受到水平方向的壓力，為發(fā)生變形的主要區(qū)域。

圖3 不同老化時(shí)間密封條的位移云圖

取右側(cè)剛體的參考點(diǎn)來(lái)研究橡膠密封條的變形情況，可得到不同老化時(shí)間下密封條的壓縮變形量，如圖4所示。從圖4可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封條的變形量呈線性減小趨勢(shì)。這是由于隨著使用時(shí)間的增加，在溫度及空氣中氧的共同作用下，密封條發(fā)生熱氧老化現(xiàn)象，產(chǎn)生永久變形而變硬，彈性形變能力減弱，從而推斷出塑鋼窗橡膠密封條的密封性能變差，使用性能隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降。

老化時(shí)間/d圖4 不同老化時(shí)間密封條的變形量

2.3 接觸壓力分析

為了分析橡膠密封條與塑鋼窗金屬框架接觸部位所受的接觸壓力，建立圖5所示的接觸路徑。提取所建接觸路徑的計(jì)算結(jié)果，可以得到在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)塑鋼窗橡膠密封條所受到的接觸壓力沿接觸路徑的變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，在120 ℃條件下，老化時(shí)間分別為0 d、6 d、9 d、13 d、20 d和30 d時(shí)，塑鋼窗密封條所受到的接觸壓力呈現(xiàn)基本相同的分布規(guī)律，密封條左側(cè)下方與金屬接觸的部位所受到的接觸壓力最大。

圖5 密封條接觸界面上的壓力分布及路徑選取

沿路徑的真實(shí)距離/mm圖6 不同老化時(shí)間密封條的接觸壓力沿路徑變化曲線

從圖6可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠密封條與塑鋼窗金屬部件的接觸壓力逐漸減小，且曲線呈駝峰狀凸起，這是因?yàn)樵诿芊鈼l的左側(cè)部位有一個(gè)橡膠支撐來(lái)提供密封條工作時(shí)的密封支撐力。

將不同老化天數(shù)密封條的接觸壓力進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。由表1可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封條受到的最大接觸壓力逐漸減小，接觸壓力的最大變化量為0.045 MPa，變化較小，密封性能基本穩(wěn)定。塑鋼窗橡膠密封條的密封屬于界面接觸密封，其內(nèi)外部工作壓力為大氣壓，不同老化時(shí)間的密封條接觸路徑上的平均接觸壓力大約在0.26 MPa，均大于0.1 MPa(即大氣壓)，且接觸區(qū)域連續(xù)均勻。因此，在所研究的老化時(shí)間范圍內(nèi)，該橡膠密封條的老化程度較小，密封效果較好。

表1 不同老化時(shí)間密封條的接觸壓力

2.4 老化程度分析

根據(jù)GB 12002—1989[11]中對(duì)塑料門(mén)窗用密封條的規(guī)定，在老化溫度為100 ℃、老化時(shí)間為72 h條件下，密封條所用橡膠的熱空氣老化性能的拉斷伸長(zhǎng)率保持率應(yīng)在70%以上。

速率常數(shù)k與老化溫度T之間的關(guān)系服從Arrhenius公式，如式(2)所示：

(2)

式中：A為頻率因子，d-1；E為表觀活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，J/(K·mol)；T為老化溫度，K。

因此，可得到兩個(gè)不同溫度下的加速系數(shù)計(jì)算公式，如式(3)所示：

(3)

式中：AF為加速系數(shù)；T1為非加速狀態(tài)下的老化溫度，K；T2為加速狀態(tài)下的老化溫度，K。

該加速老化試驗(yàn)是在120 ℃條件下進(jìn)行的，由式(3)計(jì)算可得，當(dāng)加速老化溫度為120 ℃時(shí)，加速系數(shù)為3.470 675，換算成老化時(shí)間為0.864 385 d。

該橡膠密封條的老化壽命預(yù)測(cè)模型，如式(4)所示[12]：

(4)

式中：τ為老化時(shí)間，d；y0為老化程度；T0為老化溫度，K。

根據(jù)式(4)可計(jì)算得到老化溫度為120 ℃，老化時(shí)間為0.864 385 d時(shí)，橡膠密封條的老化程度約為0.811 804，大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.7，比標(biāo)準(zhǔn)要求的老化程度偏小。這表明在所研究的老化時(shí)間范圍內(nèi)，橡膠密封條的密封性能較好，這進(jìn)一步驗(yàn)證了利用有限元方法進(jìn)行塑鋼窗橡膠密封條老化后密封性能的分析是合理的。

3 結(jié) 論

(1)有限元方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)老化后密封條的變形及應(yīng)力，并結(jié)合老化壽命預(yù)測(cè)模型來(lái)評(píng)價(jià)密封條結(jié)構(gòu)的密封性能。

(2)密封條凹槽區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中，易出現(xiàn)過(guò)早老化的部位。

(3)在相同關(guān)窗外力下，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，密封條的變形量呈線性下降，彈性減小，密封效果變差。但本研究中界面上的接觸壓力仍然高于大氣壓，并且拉斷伸長(zhǎng)率指標(biāo)在高溫老化后滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表明該密封條滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50年使用要求。