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摘 要： 摘要：本文介紹了建立準靜態橡膠制品模型所必需的一些與橡膠有關的試驗。也介紹了后定位器制造、復合軟管扣壓和電氣連接器組裝等生產過程，計算機預測數據均在物理樣機測試結果的5%以內。 關鍵詞：表征;樣機;建模;有限元 汽車工業的發展趨勢是以更快的速度和
摘要：本文介紹了建立準靜態橡膠制品模型所必需的一些與橡膠有關的試驗。也介紹了后定位器制造、復合軟管扣壓和電氣連接器組裝等生產過程，計算機預測數據均在物理樣機測試結果的5%以內。
關鍵詞：表征;樣機;建模;有限元
汽車工業的發展趨勢是以更快的速度和更低的成本開發出更好的產品，這使得人們需要模擬模型而不是測試樣機。建模需要一個可以表征橡膠和其他正在開發應用的具有明顯形變橡膠材料的實驗室。除了定義設計參數外，還要用高端軟件對橡膠的典型應用進行分析，這包括接觸、大形變和超彈性材料響應非線性現象。
本文介紹了建立準靜態橡膠制品模型所必需的一些與橡膠有關的試驗。它也介紹了代表汽車工業用橡膠部件的生產者和用戶完成的幾項分析研究報告。計算機預測數據均在對物理樣機測試結果的5%以內。
1 汽車行業
汽車行業包括范圍廣泛，涉及設計、開發、制造、營銷和銷售汽車的公司和組織。按收入計算，它是世界上最大的經濟部門之一。即使在交付給最終用戶后，沒有專門負責汽車維修的部門，如汽車修理店和汽車加油站。
汽車工業始于19世紀60年代，有數百家制造商率先開發了這種老式汽車。幾十年來，美國(U.S.)汽車總產量居世界首位。1929年，在大蕭條之前，世界上有32028500輛汽車在使用，其中90%以上是美國汽車工業生產的。當時，美國每4.87人就有一輛車。第二次世界大戰后，美國生產了世界上大約75%的汽混煉膠表征和橡膠產品計算機建模以優化汽車工業用橡膠產品劉懷現1，劉元順2，朱建偉3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園發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：本文介紹了建立準靜態橡膠制品模型所必需的一些與橡膠有關的試驗。也介紹了后定位器制造、復合軟管扣壓和電氣連接器組裝等生產過程，計算機預測數據均在物理樣機測試結果的5%以內。關鍵詞：表征;樣機;建模;有限元中圖分類號：TQ336文章編號：1009-797X(2021)09-0011-06文獻標識碼：BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2021.09.003車。1980年，美國被日本趕超，到2006年，日本的產量勉強被美國超過，直到2009年，中國以1380萬輛汽車位居榜首。2012年中國制造了1930萬輛汽車，幾乎達到美國產量1030萬輛的兩倍;而日本排在第三位，產量只有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)。汽車是許多發達經濟體的主要交通工具。2014年，波士頓咨詢集團(BostonConsultingGroup)底特律分公司表示，全球三分之一的需求來自金磚四國(BRIC)的四個市場(巴西、俄羅斯、印度和中國)，而在發達國家，由于年輕一代(在高度城市化地區)更喜歡其他交通方式，汽車行業的發展將放緩。根據J.D.Power的一項研究，2010年包括伊朗和印度尼西亞在內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 汽車工業的安全問題
安全是一種意味著免受風險、危險、損害或傷害的狀態。在汽車工業中，安全意味著使用者、經營者或制造商不會面臨來自機動車或其零部件的風險或危險。實際汽車的安全性意味著沒有損壞的風險。
汽車工業的安全性尤其重要，因此受到高度監管。汽車和其他機動車輛必須符合當地或國際的規范和法規，才能進入市場。ISO26262標準被認為是實現汽車功能安全的最佳實踐框架之一。
在汽車設計或制造過程中，如果出現安全問題、危險、產品缺陷或程序錯誤，制造商可以要求退回一批或整個生產批次。這個過程被稱為產品召回，存在于每個行業，可以是與生產相關的，也可以是與原材料相關。
在供應鏈的不同階段進行產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的要求，從而避免這些產品被召回。然而，汽車行業仍然特別關注產品召回，這造成了相當大的經濟后果。
1.2 汽車產品開發
為了驗證一種材料或產品，迄今為止，汽車工業一直依賴于大量的、漫長的和重復的試驗。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行測試。此外，樣機是用來測試的，其結果被用來改變混煉膠配方、成型或工藝，因為新的樣機還要進一步測試，直到制造出滿意的產品。實際上，即使能做任何分析，也很少在制造產品之前進行分析(也就是說在推出產品、加工模具、手工樣機和進行測試之前)。相反，在發生問題后，在排除問題過程中分析開發過程是作為最后的辦法來要求的。
開發汽車橡膠和橡膠產品的這種循序漸進的方法延遲了其進入市場的時間，任何一系列的橡膠混煉、加工、樣機制作和測試通常都需要數周到數月的時間。此外，樣機設計過程中的任何更改都會增加過程的預算;浪費了很多的時間和金錢，以后的機會就會發生變化。最后,計算機輔助制造/工程(CAM/CAE)或計算流體動態/有限元分析(CFD/FEA)的有限集成造成設計效率低下和缺乏創造力。僅憑經驗是不夠的，因此需要使用現代工具和模擬，因為這些工具和模擬是可以復制的。此外，公司往往會在遇到任何問題時都會停下來，因為他們幾乎不會花時間、金錢或興趣來試圖通過模擬優化來解決遇到的問題。事實上，建模將有助于進一步達到材料、設計和工藝的最佳匹配，以便優化故障排除。
1.3 橡膠有限元分析
有限元分析(在工業中通常被稱為FEA，或者在歐洲被稱為FEM)在汽車工業的部件和總成的設計中得到了越來越多的應用。任何此類分析都可以是線性的，則相對簡單;如果材料表現為非線性，但結構會發生大變形或者組件中的零件彼此接觸，則比較復雜;因此，在橡膠應用中，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行單軸拉伸試驗和使用雙軸拉伸機。應力可以通過試樣橫截面的縮頸進行校正;橫向(或厚度)與縱向應變之比稱為泊松比。然而，橡膠經歷了四種變形模式，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”表征橡膠所需的測試次數達到了8次。
幸運的是，Trealor觀察到單軸拉伸和等雙軸壓縮的等價性。橡膠幾乎是不可壓縮的，因此等雙軸拉伸和壓縮相當于單軸壓縮和拉伸，而單軸拉伸和壓縮是獨立的，單獨平面拉伸是不夠的。
管理層要考慮的一個問題是通過有限元分析進行設計的成本。如果軟件、硬件、培訓和維護的成本得到評估，可以在內部開發材料特性和有限元分析。根據需要，他們也可以來自第三方公司，如WIDL。
2 橡膠總成的建模
以下各節重點介紹橡膠特性，這是在準靜態(即緩慢遞增)負荷和形變下對橡膠產品進行建模所必需的。本節還介紹了WIDL針對加拿大和美國汽車行業橡膠部件模具完成的相關研究。
2.1 后定位器制造公差指南
福特汽車公司選擇溫莎工業發展實驗室(WIDL)來評估在機罩下壓入式動態密封系統中將經過機械加工的鋁制后保持架轉換為環氧乙烯基酯復合材料的可行性。最初的樣件失敗了，因為成型公差導致塑料和橡膠部件之間的不匹配(圖1)。
因此建立了一個測試和分析程序來幫助解決這個問題。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(用于后定位器的動態密封)的應變能密度模型。更多的關于橡膠的試驗探討了摩擦、密封的最小壓力、橡膠與鋼板之間的剪切黏結以及抗拉強度。表征還獲得了環氧乙烯基酯的性能(楊氏模量、泊松比和拉伸應力)。WIDL試驗在典型的發動機罩下溫度進行(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上監測進入后定位器孔的密封件的變形。特別繪制了內應力和接觸壓力曲線。后定位器孔對殼體密封件插入的反作用力與預測值相比在5%以內。
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度。LMC確保有效接觸而不泄漏，同時旋轉時保持與旋轉軸的密封。MMC允許評估橡膠和鋼嵌件之間的黏合強度，以及后定位器最薄弱部分的黏合強度。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。
在流動分析的基礎上，纖維的真實的應力-應變數據定義了熱固性塑料的物理行為。
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借助FEA在-40℃下對環形密封墊進行泄漏測試，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“試驗和錯誤”，這是一種廣泛而昂貴的方法。不幸的是，機會窗口關閉了，因為密封件供應商沒有動力切換成另一種殼體材料和供應源(對于已經通過鋁制定位器驗證的產品)，塑料件供應商在解決金屬到塑料切換的反復試驗中浪費了超過10個月的時間。
2.2 復合軟管扣壓
眾所周知，橡膠成分的分析是完全非線性的。橡膠在負荷或形變下確實會明顯變形。它對變形的反應是非線性的，此外，它經常用于接觸。在處理復合軟管的扣壓時，分析難度會更高。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。增強織構的正交各向異性和卷曲速度(應變敏感性)增加了泄漏的可能，流體扣壓組件的相互作用，回彈等的復雜性。材料屬性隨方向(x，y或z)的變化。
一家向汽車工業提供變速箱流體軟管總成的大型公司與WIDL簽約，開發了一種計算機模型，該模型可以模擬扣壓(復合)軟管的制冷劑泄漏。目的是預測多層軟管的最佳扣壓，并避免對樣件的嘗試試驗。案例研究的重點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行測試。有時，高扣壓比會使接頭塌癟，測試總成被丟棄。此外，每個總成的耐久性測試通常需要數周才能完成(圖4)。
最初，橡膠樣品在WIDL模制，然后進行調節和測試以適應應變能密度函數。分別從英國的鋁業協會和法國的Pichnet獲得了制造接頭和套筒的合金棒，進行了彈性體-塑性應變測試。在準靜態條件下拉伸紗線(用于織物的基礎)。纖維的機械性能是基于纖維和橡膠基體的特性，在WIDL的內部碼中(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，現在是加利福尼亞州的MacNealSchwendlerCorporation的產品。(有關該軟件的更多信息，請參閱http://mscsoftware.com)。
在計算機模擬之后，在汽車供應商處進行了實驗設計(DOE)，密封軟管的扣壓比為23%。確定了泄漏的開始時間，圖表顯示考慮了使用各種異丁環墊圈的壓縮情況下的流量，其中涉及空氣泄漏測試。收集負荷下鋁合金間的這些信息，以模仿接頭和套筒的內表面光潔度(圖6)。
從那時起，WIDL的其他橡膠織物復合材料項目就著眼于隔膜、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計有兩個相互影響的因素，包括低摩擦系數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使用壽命內的密封效果。
為了避免反復試驗，歐洲汽車工業電氣連接器供應商要求WIDL協助開發14路電氣連接器總成。公司之間的工作分為四個主要部分：
(1)對橡膠進行表征以制作密封件，并定義設計參數;
(2)建立連接器總成案例研究的數學模型;
(3)用試驗結果確認數值預測(案例研究);
(4)優化14路連接器系統。
在案例研究中，考慮了在一級供應商處生產的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)。
建議使用美國有機硅公司的自潤滑橡膠。一小批在WIDL中模壓在按鈕、薄板和環形墊圈上。將它們在23℃和50%相對濕度的環境室中儲存24h。在單軸拉伸和壓縮以及平面拉伸下的準靜態試驗中，確定了剪切力。——論文作者：劉懷現1，劉元順2，朱建偉3編譯
