發(fā)布時(shí)間：2021-05-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：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)。也介紹了后定位器制造、復(fù)合軟管扣壓和電氣連接器組裝等生產(chǎn)過(guò)程，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均在物理樣機(jī)測(cè)試結(jié)果的5%以內(nèi)。 關(guān)鍵詞：表征;樣機(jī);建模;有限元 汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是以更快的速度和
摘要：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)。也介紹了后定位器制造、復(fù)合軟管扣壓和電氣連接器組裝等生產(chǎn)過(guò)程，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均在物理樣機(jī)測(cè)試結(jié)果的5%以內(nèi)。
關(guān)鍵詞：表征;樣機(jī);建模;有限元
汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)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(cè)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)均在對(duì)物理樣機(jī)測(cè)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(yíng)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(méi)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(lái)，美國(guó)(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32028500輛汽車在使用，其中90%以上是美國(guó)汽車工業(yè)生產(chǎn)的。當(dāng)時(shí)，美國(guó)每4.87人就有一輛車。第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)生產(chǎn)了世界上大約75%的汽混煉膠表征和橡膠產(chǎn)品計(jì)算機(jī)建模以優(yōu)化汽車工業(yè)用橡膠產(chǎn)品劉懷現(xiàn)1，劉元順2，朱建偉3編譯(1.青島愛(ài)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)摘要：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)。也介紹了后定位器制造、復(fù)合軟管扣壓和電氣連接器組裝等生產(chǎn)過(guò)程，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均在物理樣機(jī)測(cè)試結(jié)果的5%以內(nèi)。關(guān)鍵詞：表征;樣機(jī);建模;有限元中圖分類號(hào)：TQ336文章編號(hào)：1009-797X(2021)09-0011-06文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2021.09.003車。1980年，美國(guó)被日本趕超，到2006年，日本的產(chǎn)量勉強(qiáng)被美國(guó)超過(guò)，直到2009年，中國(guó)以1380萬(wàn)輛汽車位居榜首。2012年中國(guó)制造了1930萬(wàn)輛汽車，幾乎達(dá)到美國(guó)產(chǎn)量1030萬(wàn)輛的兩倍;而日本排在第三位，產(chǎn)量只有990萬(wàn)輛汽車。從1970年(140種)到1998年(260種)到2012年(684種)，美國(guó)的汽車型號(hào)呈指數(shù)增長(zhǎng)。
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(guò)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)(BostonConsultingGroup)底特律分公司表示，全球三分之一的需求來(lái)自金磚四國(guó)(BRIC)的四個(gè)市場(chǎng)(巴西、俄羅斯、印度和中國(guó))，而在發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)占全球輕型汽車銷量的51%，即使是在金磚四國(guó)，這一趨勢(shì)后來(lái)也有所放緩。
1.1 汽車工業(yè)的安全問(wèn)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(yíng)者或制造商不會(huì)面臨來(lái)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(méi)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?guó)際的規(guī)范和法規(guī)，才能進(jìn)入市場(chǎng)。ISO26262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(guò)程中，如果出現(xiàn)安全問(wèn)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(guò)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(cè)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(zhǎng)的和重復(fù)的試驗(yàn)。特別是橡膠，先混煉，然后測(cè)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(cè)試。此外，樣機(jī)是用來(lái)測(cè)試的，其結(jié)果被用來(lái)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(cè)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(shuō)在推出產(chǎn)品、加工模具、手工樣機(jī)和進(jìn)行測(cè)試之前)。相反，在發(fā)生問(wèn)題后，在排除問(wèn)題過(guò)程中分析開發(fā)過(guò)程是作為最后的辦法來(lái)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(chǎng)的時(shí)間，任何一系列的橡膠混煉、加工、樣機(jī)制作和測(cè)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(guò)程中的任何更改都會(huì)增加過(guò)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(wèn)題時(shí)都會(huì)停下來(lái)，因?yàn)樗麄儙缀醪粫?huì)花時(shí)間、金錢或興趣來(lái)試圖通過(guò)模擬優(yōu)化來(lái)解決遇到的問(wèn)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(lái)越多的應(yīng)用。任何此類分析都可以是線性的，則相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)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(cè)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(wèn)題是通過(guò)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(píng)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(lái)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(duì)橡膠產(chǎn)品進(jìn)行建模所必需的。本節(jié)還介紹了WIDL針對(duì)加拿大和美國(guó)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(lái)評(píng)估在機(jī)罩下壓入式動(dòng)態(tài)密封系統(tǒng)中將經(jīng)過(guò)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(cè)試和分析程序來(lái)幫助解決這個(gè)問(wèn)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(cè)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)。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)。
在WIDL上監(jiān)測(cè)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(duì)殼體密封件插入的反作用力與預(yù)測(cè)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(píng)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(shuō)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。
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借助FEA在-40℃下對(duì)環(huán)形密封墊進(jìn)行泄漏測(cè)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(cè)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(méi)有動(dòng)力切換成另一種殼體材料和供應(yīng)源(對(duì)于已經(jīng)通過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)許多接觸體(變形接頭、套筒、橡膠和剛性模具)的存在來(lái)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(cè)多層軟管的最佳扣壓，并避免對(duì)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(cè)試。有時(shí)，高扣壓比會(huì)使接頭塌癟，測(cè)試總成被丟棄。此外，每個(gè)總成的耐久性測(cè)試通常需要數(shù)周才能完成(圖4)。
最初，橡膠樣品在WIDL模制，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)和測(cè)試以適應(yīng)應(yīng)變能密度函數(shù)。分別從英國(guó)的鋁業(yè)協(xié)會(huì)和法國(guó)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(cè)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)。
用于分析的弧形非線性軟件，現(xiàn)在是加利福尼亞州的MacNealSchwendlerCorporation的產(chǎn)品。(有關(guān)該軟件的更多信息，請(qǐng)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(cè)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)。
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(jiǎn)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(duì)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(cè)(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(jí)供應(yīng)商處生產(chǎn)的10向連接器，該連接器包括陰陽(yáng)塑料配合以及多圈密封(圖7)。
建議使用美國(guó)有機(jī)硅公司的自潤(rùn)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?cè)?3℃和50%相對(duì)濕度的環(huán)境室中儲(chǔ)存24h。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。——論文作者：劉懷現(xiàn)1，劉元順2，朱建偉3編譯
