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[胶粘剂] 基于汽车风窗玻璃粘接安装技术研究

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发表于 2020-3-30 14:50:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】基于汽车风窗玻璃粘接安装技术研究
王永浩
(烟台汽车工程职业学院 车辆工程系,山东 烟台 265500)
摘 要: 文章主要对具有代表性的几种粘接剂的种类及特点进行了分析,并针对客车车身侧围某典型结构,完成了车窗粘接胶等效梁模型的构建,以所设计的窗框简化模型为依据在对其进行初步分析的基础上完成作为作为计算目标值的应力采集点的提取,据此完成粘接胶等效模型最优参数的计算,针对某客车车身骨架使用该粘接胶等效模型对客车粘接式侧窗对整车性能的影响情况进行了研究,验证了本文所设计的粘接胶等效模型的有效性。
关键词: 汽车风窗玻璃;粘接安装技术;粘接剂

[size=1em]传统固定车风窗玻璃的方法是在车身上将风窗玻璃使用橡胶密封嵌条进行镶嵌(机械固定法),在装配时一般需通过涂覆适当的密封胶以实现防止漏雨及提高密封性等目标,此种方法简单易操作、易拆卸,但存在风窗玻璃易脱落、安全性不足等问题,为有效弥补机械固定法的不足,在固定汽车风窗玻璃方面粘接法(在车身上使用粘接剂直接固定风窗玻璃)已成为提升车辆密封性和美观性的有效手段,促使胶粘剂取得了快速的发展。目前作为一项较为先进的技术,直接粘贴法成为安装汽车风窗玻璃常用的方法,采用此种方法安装的风窗玻璃增加了连接处强度,能够承受一定的载荷,显著提升了密封效果及车身外形美观度,可作为车身上永久固定件,文章主要对汽车风窗玻璃粘接安装技术进行了研究。

1 风窗玻璃固定粘接剂种类及应用

[size=1em]1)具有有永久粘性的丁基橡胶带,主体材料为丁基橡胶并配入其它辅剂形成的预成型胶带(横截面固定),以卷盘状包装,需先展开撕去分离纸后在窗框上粘贴该胶带和风窗玻璃,然后进行加压处理以确保玻璃与窗框贴合。丁基胶带固定法具有操作简便、低成本等优点,但其较为突出的缺点限制了应用效果,主要表现在:强度较低的丁基胶带不利于风窗玻璃同车身间结构粘接的有效形成,影响了车身的刚性;风窗玻璃的承压性能不足使玻璃易被破坏影响了车身的安全性;对窗框形状的平整度要求较高,易出现凹坑或不规整处难以填满的情况,为兼顾密封性及美观性通常需结合使用辅助密封胶。

[size=1em]2)氯丁橡胶带,一种挤出成型的热硫化胶带,粘接强度比丁基胶带高,内部含有加热用金属线芯在电流的作用下,胶带受热表面变软变粘,可对窗框的不规整处进行有效填充,氯丁胶带随着温度的进一步升高会发生硫化,实现车身同风窗玻璃的有效粘接。使用此种胶带固定玻璃时无需加压,能填充不规整处。但需在运动的生产线上持续加热胶带5min左右,提升了操作复杂程度及成本,阻碍了氯丁胶带的推广使用。

[size=1em]3)聚硫橡胶粘接剂,该粘接剂最早是一种液态多硫聚合物(三组分室温硫化),需先通过混胶机和计量泵将粘接剂进行充分混合,再使用涂胶枪在窗框上涂抹,接下来放置风窗玻璃并施加轻微的压力以确保低洼和不规则处能够流入液态胶,从而将风窗玻璃粘到车身上。聚硫橡胶粘接剂在装配线上所需固化时间及应用时产生粘接强度用时较短。后来为提高使用效率及便利性进一步改进了粘接剂,改成两组分包装。粘接强度较高的聚硫粘剂固定玻璃过程无需加压和使用辅助密封胶、适用于低洼和不规则处的窗框,风窗玻璃与车身形成结构粘接。但在使用聚硫钻接剂时需应用混合设备、耐候性能不足、成本较高。

[size=1em]4)聚氨醋粘接剂,具有弹性良好、耐低温、抗冲击、耐疲劳等优势,其粘接性能适用于多种材料(包括金属、非金属等),从而得到广泛应用。使用该粘接剂固定风窗玻璃表现出了较好的耐候性能及较高粘接强度等优势。通常采用涂刷底漆方法可使聚氨醋粘接剂的粘接性能得以有效提高,选择底漆时需以实际粘接对象为依据(如玻璃、塑料、有油漆的钢板)。川狄璃和漆面两种底漆均可用于粘接固定风窗玻璃。使用聚氨醋粘接剂时需先清除粘接面的油污,然后将底漆涂到玻璃、窗框上,接下来在玻璃上涂胶,将玻璃轻压安放到窗框上以确保对位贴合[1]。

2 风窗玻璃粘接胶等效模型设计2.1 需求分析

[size=1em]包括风挡及后窗玻璃在内的风窗玻璃同车身构成整体使车身刚性及车身设计的自由度(立柱、窗孔、车顶等形状)得以有效提高,因降低钢板厚度进而减轻了整车质量,在提高整车强度的同时提高车辆安全性。风窗玻璃通过使用粘接剂实现同车身间的密切贴合,提高了车身的密封性及美观性。作为日常出行不可缺少的现代交通工具,客车的安全性始终是人们关注的重点之一,采用有限元分析客车车身结构时为兼顾结构的准确性和计算效率,针对车身结构的有限元建模以车身骨架为主,同时需考虑包括玻璃等在内的车身非结构件对客车整体特性的影响(包括强度刚度等)。现有有限元模型中(针对客车车身强度)通常在侧围车身骨架上固定连接等效为质量点的侧窗,不利于研究其对车身骨架强度的影响。客车侧窗玻璃粘接新工艺的发展显著改善了粘接强度。在侧窗玻璃粘接对车身性能影响方面,以车身结构轻量化为依据及粘接剂复合结构的性能(包括静态、抗疲劳等性能)方面的研究已经得到了证实。同壳单元相比梁单元更简易快捷,能够在计算应力时实现杆件两端内力大小的获取,但在对车身结构性能受到粘接式车窗的具体影响进行研究时,采用实体单元对粘接胶进行建模易导致其同客车骨架梁单元将有限元模型链接问题的出现[2]。为确保简单实用本文对粘接胶等效梁模型进行设计,根据从提取出的典型结构完成了局部研究模型的建立,模型的目标值使用壳单元应力计算值,并根据参数设计思想获取单元模型的参数。

2.2 车窗粘接胶等效模型方案

[size=1em]为提高研究效率并确保该结构后期试验的可行性,本文的研究对象选择客车侧围上某段典型结构,在此基础上完成了简化比例模型的设计具体如图1所示,窗框及玻璃分别采用梁单元和壳单元进行模拟,将粘接胶层划分为若干段(沿着长度方向),各段胶层长度、宽度及厚度分别由L、H、t表示,用等效梁单元对各段胶层进行模拟,再使用粘接胶等效梁单元将不同单元即窗框梁及玻璃壳连接起来。车窗粘接胶等效模型主要由窗框、粘接胶和玻璃构成,为真实反映车窗的受力状态,对一段典型结构(从车身侧围侧窗中截取)进行比例简化,各窗框的长度及高度分别为500mm和300mm,比例简化模型长为2500mm、其悬臂梁的截面为40mm×40mm×1.5mm,选用20#钢作为窗框骨架。使用等效梁单元模型对各段粘接胶层(长5mm)进行模拟。等效模型的窗框和玻璃分别采用梁单元和四边形壳单元(对应长度和边长均为5mm)进行模拟,将参数待定的两块玻璃安置于悬臂梁右端附近。右端底部各方向的自由度通过螺栓固定,左端负责加载[3]。目标应力对应从模型上选取部分应力值(避开应力较小和应力集中的位置),据此完成车窗粘接胶等效参数的确定(根据应用参数设计思想)。针对简化比例模型通过有限元试算的使用实现应力结果的获取。从如图2所示的位置选取应力采集点20个。

[size=0.8em]图1 窗框比例简化模型
Fig.1 Window frame proportional simplification model

[size=0.8em]图2 应力采集点位置示意图
Fig.2 Location diagram of stress collection point

2.3 等效模型参数的确定

[size=1em]本文依据设计参数思想,目标值采用了壳单元模型的计算结果(包括其上应力提取点的目标应力值),进而获取粘接胶等效模型参数。根据简化模型尺寸为同真实情况相符,将两块玻璃粘贴于悬臂梁右侧,具体材料性能参数如表1所示,钢化玻璃尺寸为495mm×270mm×3mm,粘接胶层宽度和厚度分别为16.5mm和3mm,钢化玻璃使用聚氨醋粘接剂Terostat胶进行粘贴,模型左端加载3组载荷(大小分别为300N、350N、400N)对已确定的应力点的应力值进行测试,粘接胶等效模型以所获取的应力值作为其目标计算值(根据参数设计思想),从而获取应力矩阵(由A表示)。

[size=0.8em]表1 材料性能参数
Tab.1 Material performance parameters

[size=1em]对于粘接胶等效模型,设定以10mm×10mm×2mm作为其梁单元截面尺寸,泊松比为0.46。同壳单元上对应点的应力相比,为使模型应力提取点同其偏差最小,从而完成一个最优等效弹性模量的确定,先对3组不同载荷下的等效粘接单元的应力提取点的由Bk(不同弹性模量下对应的应力矩阵)表示的应力矩阵进行计算,求应力矩阵A同应力矩阵Bk(k=1,2,…,14,15)间的差值,粘接胶等效模型的模型误差采用所获取差值矩阵由Mk表示的2-范数进行衡量,具体表达式如下[4]。


[size=1em]将应力总偏差定义为Mk,分别以Mk和粘接胶等效弹性模量作为因变量和自变量,在此基础上通过最小二乘法的使用实现应力偏差曲线的拟合,具体如图3所示,从中可找到某点(0.176GPa)对应最小的等效模型的应力总偏差,最小值约为27.4MPa,等效模型在此弹性模量下效果最好。接下来为对拟合曲线最优解的合理性做进一步验证,在粘接胶等效模型中输入上述最优参数(包括弹性模量、泊松比、梁单元截面尺寸)获取Mk的计算结果为27.2MPa,趋近于拟合曲线的最优结果,证明了最优参数的有效性与合理性。根据该参数获取20个提取点同实体单元模型间应力值的对比结果如图4所示,壳单元模型同等效模型间的计算结果基本一致,即等效模型与实际情况相吻合[5]。

[size=0.8em]图3 应力偏差曲线
Fig.3 Stress deviation curve

[size=0.8em]图4 不同载荷下的应力结果对比
Fig.4 Comparison of stress results under different loads

3 等效简化模型的验证及性能分析3.1 模型验证

[size=1em]本文通过简化模型试件(粘接两块玻璃)的建立完成对粘接胶等效模型正确性的验证过程,试验具体的测试点选取了应力水平较大(避开应力集中区域)的应力提取点功10个,图5为最终贴片的确定位置,以降低应变片的测量误差,采用同仿真相同的加载和固定方式,用螺栓固定右端下部,由左端加载3组载荷(300N、400N、500N),进行多次测量,剔除了结果波动较大的测试点7,等效模型对应点应力的计算值同其余9个应力测试点的应力间的关系如图6所示,模型试验值同计算值间的误差不超过15%,验证了该等效模型参数设计的合理性。

[size=0.8em]图5 试验应力测试点示意图
Fig.5 Test stress measurement pilot map

[size=0.8em]图6 不同载荷下应力值对比结果
Fig.6 Comparison of stress values under different loads

3.2 粘接车窗玻璃对整车性能的影响

[size=1em]3.2.1 对整车刚度的影响

[size=1em]玻璃等附件在客车有限元分析中通常不作为影响车身性能的考虑对象,使整车的强度刚度和模态难以被真实的模拟出来,进而影响到客车车身骨架设计时材料的利用率。本文针对整车刚度、强度和模态,在整车中应用所设计的粘接胶等效模型(保证模型参数不变)对侧窗粘接玻璃对其产生的影响进行研究。分析车身结构的刚度主要是对其抵抗弹性变形的能力(在不破坏车身条件下)进行研究,采用本文粘接胶等效模型对车身弯曲及扭转刚度受到粘接玻璃的影响情况进行分析,先采用梁单元对车身骨架进行模拟,然后在相同的约束方式下对车身模型(有玻璃)和车身骨架模型(无玻璃)完成模型应力的计算,刚度的对比统计数据如表2所示,相比无玻璃车身有玻璃车身的弯曲刚度及扭转刚度得到有效提升(分别是无玻璃车身的1.02、1.08倍),验证了粘接侧窗对提升整车刚度的作用[6]。

[size=0.8em]表2 刚度对比统计结果
Tab.2 Comparison of stiffness statistical results

[size=1em]3.2.2 对整车强度的影响

[size=1em]对车身在满载弯曲、左前轮及右前轮悬空三种工况下的强度进行研究,应力统计对比结果为:整车骨架在满载弯曲工况下从无玻璃模型的最大应力值为339.5,有玻璃模型的最大应力值为282.4MPa,该车的应力水平在合理范围内;无玻璃模型的平均应力为75.3,有玻璃模型的平均应力为63.8MPa,下降约15%左右;在左右轮悬空工况下,无玻璃模型的平均应力分别为73.5MPa和80.9MPa,有玻璃模型的平均应力分别为70.2MPa和74.6MPa,本文模型的应力标准差也得以降低,验证了侧窗玻璃在提升车身强度方面的作用,需将侧围玻璃的影响纳入到建立整车模型时的考虑范围。

[size=1em]3.2.3 对整车模态的影响

[size=1em]在各类振动源的作用下处于运行状态的客车会产生一定程度的振动,1阶扭转模态及弯曲模态在车身振动模态中对车身的影响最为明显,在对客车整车模态的影响因素进行分析时传统模态分析方法对侧窗玻璃的影响重视不足,为更加接近真实情况,应用本文粘接胶等效模型对粘接车窗玻璃对整车自由模态的影响进行了研究,同样采用梁单元对车身骨架进行模拟,并在自由状态下使用等效模型分别对有无粘接玻璃车身的模态进行试验,粘接玻璃的车身1阶扭转频率为7.85Hz,无粘接玻璃车身为7.26;粘接玻璃的车身1阶(垂向)弯曲频率为16.63Hz,无粘接玻璃车身为15.11,验证了使用粘接玻璃后车身的弯曲及扭转频率均得以提高,并且同实际整车自由振动频率吻合[7]。

4 结语

[size=1em]汽车风窗玻璃直接粘接固定法被开发出来(即车身上使用胶粘剂粘接风窗玻璃)并得到普遍应用,能够在减少整车质量的同时提高车身刚性和密闭性,为使车身骨架梁单元与风窗玻璃间的粘接问题得以有效解决,文章在现有研究基础上设计了一种粘接胶等效梁单元模型,对粘接胶模型采用实体单元进行模拟,对车身骨架及车窗玻璃采用壳单元进行模拟能够获得满足需要的计算精度,并通过在某一全承载式客车车身骨架应用该模型的试验,证明了使用粘接玻璃可有效提高了车身骨架的强度刚度,验证了模型的有效性和可靠性,为客车车身安全性和轻量化设计的优化和完善提供参考。



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