摘要：為了解決玻璃導(dǎo)槽中縫區(qū)域密封條的拔出力不足的問題，提出一種基于田口法和CAE分析的優(yōu)化方法。識別影響密封條插拔力的相關(guān)因子，進行相應(yīng)的 DOE實驗，并通過MARC軟件進行相關(guān)的CAE計算。對計算結(jié)果進行信噪比和均值分析，研究各設(shè)計參數(shù)對插拔力的影響權(quán)重。根據(jù)工程定義的目標，選擇最優(yōu)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：玻璃導(dǎo)槽;拔出力;田口法;有限元分析

中圖分類號：U270收稿日期：2022-04-14

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.025

1 前言

隨著人們審美需求的提升，歐式車門由于其造型設(shè)計靈活、外觀精致、綜合性能優(yōu)越，成為目前主流的結(jié)構(gòu)形式之一。該種車門由整體式車門內(nèi)板加上半包車門外板以及車門窗框構(gòu)成。玻璃導(dǎo)槽則是其重要的零部件，覆蓋包裹整個車門上窗框區(qū)域，承擔降噪、裝飾、支撐玻璃平穩(wěn)升降等功能，這種車門也因此被稱為遮蓋式車門。其前后門中間腰線以上空隙區(qū)域需要通過玻璃導(dǎo)槽的中縫密封條遮縫并密封，該斷面通常裝配在裝飾板U形槽內(nèi)。

基于該種結(jié)構(gòu)的多個車型在該區(qū)域的斷面拔出力不能達到理想的水平，在項目開發(fā)期間松脫或拔出力不足問題頻發(fā)，是導(dǎo)槽零部件開發(fā)中的難點問題之一。需要專業(yè)人員找到相應(yīng)的辦法并在前期對牢固性問題進行預(yù)判，指導(dǎo)玻璃導(dǎo)槽的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以有效規(guī)避該類問題產(chǎn)生。由于該缺陷影響因素較多，要素識別尚未建立，因此在模型建立后需要采用科學(xué)的試驗驗證方法進行驗證。

在本文中采用了田口法進行試驗設(shè)計，田口法作為一種局部優(yōu)化算法，是日本田口玄一博士基于正交實驗和信噪比技術(shù)創(chuàng)立的一套優(yōu)化設(shè)計方法，田口法與其他局部優(yōu)化設(shè)計方法不同，其可對多個目標進行優(yōu)化設(shè)計，通過建立實驗表，能以最少的實驗次數(shù)分析得出多目標優(yōu)化設(shè)計時各設(shè)計參數(shù)的最佳組合。

2 密封條脫出機理

圖1是一種典型導(dǎo)槽中縫處密封條的斷面示意圖，由玻璃導(dǎo)槽中縫密封條、前門以及后門框裝飾板組成。該密封條通常裝配在圖1所示的U形槽中，通過多個唇邊和U形槽的內(nèi)壁接觸形成摩擦力，以防止密封條的脫出。

拔出密封條的過程可以簡化為如圖2所示的物理模型。

拔出力的公式：

（1） 摩擦力同彈簧作用力之間的關(guān)系：

將彈簧壓縮量x用角度代替：

將x的表達式代入到式（1）中：

式中，F(xiàn)表示密封條的拔出力，N;m表示初始時密封條同U形槽之間的壓力，為唇邊這個彈簧系統(tǒng)同裝飾板之間的夾角，。為唇邊簡化的彈簧系統(tǒng)同拔出方向之間的夾角，°;k為簡化的彈簧系統(tǒng)的彈性系數(shù)，N/mm;cof為接觸面的最大滑動摩擦因數(shù);x為彈簧的長度變化，mm。當m相對滑動面發(fā)生位移時，此時拔出力大于等于，密封條將會從U形槽中脫出。

從以上的公式可以看出，影響密封條拔出力的相關(guān)變量包括密封唇邊同U形槽之間的摩擦因數(shù)cof、拔出時唇邊發(fā)生移動的α角度，以及代表唇邊壓縮力的m。

3 基于田口法的密封條優(yōu)化設(shè)計

田口法作為正交實驗優(yōu)化設(shè)計方法，其特點是以最少的實驗次數(shù)獲得各設(shè)計參數(shù)的最佳組合，從而實現(xiàn)對設(shè)定目標的優(yōu)化，結(jié)合本例研究對象分為4個步驟：

a.確定相關(guān)的工程定義要求;b.識別相關(guān)的影響因素;c.建立實驗正交表，對正交表中各次實驗通過MARC進行有限元分析;d.根據(jù)有限元分析結(jié)果，確定最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。

3.1 工程定義要求

導(dǎo)槽中縫密封條在此處的主要工程特性定義為兩個方面，功能一是為了便于裝配，在單位長度上的插入力應(yīng)小于40N;功能二是為了防止密封條從裝飾板的U形槽中脫出，定義了單位長度上的拔出力應(yīng)大于70N（表1）[2]。

3.2 相關(guān)影響因素的識別

根據(jù)現(xiàn)有車型普遍采用的設(shè)計形式，典型的導(dǎo)槽中縫密封條在該處的斷面類似倒刺結(jié)構(gòu)，一般為中間支撐部分加上兩側(cè)豎直的唇邊，其影響插拔力的主要特征集中在以下幾個方面：A表示唇邊干涉量，即自由狀態(tài)下豎直唇邊相對于裝飾板的過盈量;B表示唇邊厚度;C表示唇邊數(shù)量，即單側(cè)分布的豎直唇邊的個數(shù);D表示裝飾板表面狀態(tài)，塑料件表面呈光板狀態(tài)和紋理狀態(tài)會產(chǎn)生不同的摩擦系數(shù);E表示選用的材料特征，當定義的唇邊材料邵氏硬度不同時將影響唇邊的壓縮力、摩擦因數(shù)，以及唇邊發(fā)生移動的α角，從而影響最終的插拔力。

3.3 設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)上述工程上分析的5種因子，每個因子各設(shè)定2個水平（表2）。其中A表示唇邊干涉量設(shè)計為0.5mm/0.9mm;B表示唇邊厚度設(shè)計為0.65mm/1.0mm;C表示唇邊數(shù)量選擇單側(cè)2個/單側(cè)3個;D表示裝飾板表面狀態(tài)選擇光板/紋理（紋理代碼P022）兩種;E表示唇邊硬度定義為邵氏A45度/邵氏A65度。

通過minitab軟件，選取L12列表，采用標準的設(shè)計元素形成表3所示的12個方案。其中方案1和方案2相同，實際為11種實驗組合（表3）[4-5]。A、B、C三個控制因子影響的是密封條的斷面結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的組合共有8種斷面，具體斷面形式見圖3。

采用mare 軟件對各個方案進行插拔力有限元分析。由于密封條的屬于小截面長型零件，選用herrmann單元，單元尺寸0.1mm。根據(jù)各方案定義的材料，選擇相應(yīng)的硬度，進行建模分析。

不同控制因子的平均值計算公式如下

田口法中用信噪比評價目標的品質(zhì)特性，不同控制因子的信噪比分析公式如下

根據(jù)上述公式計算平均值和信噪比，結(jié)果如圖4所示。

從有限元分析的結(jié)果來看，各個控制因子的不同水平對于插入力和拔出力的影響趨勢一樣，插入力變大，拔出力也會變大，插入力變小，拔出力也會變小。但是各個控制因子不同水平對插入力和拔出力變化大小的權(quán)重不一樣。其中控制因子A和D對于拔出力的影響最大，控制因子E對于插入的影響最大。

從工程上分析，希望增加單位插入力的前提下獲得最大的拔出力增量，Δe為控制因子不同水平值下拔出力的變化量，Δi為控制因子不同水平值下插入力的變化量，通過Δe/Δi的比值表示單位插入力增量下的拔出力增量大?。▓D5）。從圖5可見控制因子A和D對拔出力的數(shù)值影響很大，同時拔插比較高，設(shè)計參數(shù)應(yīng)選擇A1、D1?？刂埔蜃覤對拔出力和插入力影響很小，但是拔插比很大，設(shè)計參數(shù)應(yīng)選B1?？刂埔蜃覥對插入力和拔出力的變化值影響較小，拔插比也較低，從數(shù)據(jù)上看應(yīng)該選擇C1較為合理，由于整體的拔出力和插入力都較小，需要優(yōu)先解決拔出力過小的問題，應(yīng)選擇C2的設(shè)計參數(shù)?？刂埔蜃覧不同水平對于拔出力影響不大，但對插入力影響很大，拔插比非常小，應(yīng)選擇E1。最優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計方案應(yīng)該為A1B1C2D1E1。

3.4 效果確認

3.4.1 新狀態(tài)的效果確認

按照上述方案進行實物擠出，斷面見圖6的左圖，對實物斷面進行插拔力實驗，插入力35N/100mm，拔出力102N/100mm，達到了設(shè)計目標。從CAE結(jié)果可以看出，在密封條拔出的過程中，唇邊發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，唇邊接觸部位都未發(fā)生移動，達到了設(shè)計目標。

3.4.2 密封條拔出力的持久效果

密封條抗松脫主要依靠的是唇邊，它選用的TPE材料，該材料在被長時間壓縮后，唇邊的反彈力會發(fā)生衰減（圖7），從圖中可以發(fā)現(xiàn)TPE材料在開始壓縮的1h內(nèi)力的衰減最為迅速，11h后壓縮力的衰減變得非常緩慢。

根據(jù)物理模型可知，壓縮力即為m，m變小將會使拔出力變小，這對密封條的緊固性是不利的。但同時由于彈性材料TPE摩擦表面在法向載荷下，粗糙峰彼此嵌入并產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力和塑性變形，使實際接觸面積增加，隨著靜止接觸時間延長，相互嵌入和塑形變形程度都加強，所以靜摩擦因數(shù)增加⑥。結(jié)合物理模型，當密封條裝配后，唇邊被長時間壓縮，m變小，但滑動系數(shù)cof變大，有利和不利因素同時影響拔出力。根據(jù)密封條唇邊的壓縮力衰減特性，對密封條裝配1天和7天后進行拔出力實驗，初始拔出力是106N，1天后拔出力為102 N，7天后拔出力為90N，拔出力依然能夠滿足目標要求（表4）。

4結(jié)語

通過田口法以及CAE的模擬分析，可以按最小的實驗數(shù)量，有效的分析設(shè)計中各參數(shù)對于目標要求的影響。本文中針對玻璃導(dǎo)槽中縫條脫出的風(fēng)險問題，采用以上方法進行分析研究，根據(jù)有限元分析結(jié)果，對相關(guān)的設(shè)計參數(shù)進行合理的優(yōu)化，快速有效地解決了拔出力的問題。同時該優(yōu)化的因子組合也作為推薦的接口形式在后續(xù)新項目的結(jié)構(gòu)方案選擇中進行固化推廣，從而確保設(shè)計質(zhì)量穩(wěn)定提升。

參考文獻

[1]班東坡，李紅梅，朱文欽，等.基于田口法的超高效異步電機設(shè)計[J].微特電機，2017，45（3）：20-24.

[2]潘坡.汽車內(nèi)水切密封條振動異響研究[J].汽車技術(shù)，2016（6）：

[3]李聰波，肖溱鴿.基于田口法和相應(yīng)曲面法的數(shù)控銑削工藝參數(shù)效能優(yōu)化方法[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2015（12）：3182-3191

[4]毛君，尹航，崔闖，等.基于Minitab確定最佳參數(shù)的實驗設(shè)計[J].煤礦機械，2006（8）：26-28.

[5]彭愛紅.Minitab軟件在有重復(fù)試驗的正交試驗設(shè)計中的應(yīng)用[J].集美大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2013（1）111-114

[6]溫詩鑄，黃平，田煜，等.摩擦學(xué)原理[M].5版.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

作者簡介：

梅一丹，男，1975年生，高級工程師，研究方向為汽車零部件檢測與分析。