Nonlinear and linear modeling of weatherstrip seal and investigation of its effect in vehicle vibrations

Abstract

Otomotiv endüstrisi için taşıt içi gürültü seviyesi önemli bir tasarım kriteri olmayabaşlamıştır. Taşıt içi gürültünün önemli bir kısmı taşıt gövdesindeki, özellikle de kapılardakititreşimden kaynaklanmaktadır. Araç kapılarının titreşimi, kapı fitilinden etkilenmektedir.Kapı fitili frekansla, sıcaklıkla, sıkışma miktarıyla değişen lineer olmayan davranışgöstermektedir. Bu nedenle taşıtların dinamik performansını tahmin etmek için kapıfitillerinin doğru bir şekilde modellenmesi yapılmalıdır. Bu amaçla farklı hiperelastikmalzeme modelleriyle kapı fitilinin sıkışmasının sonlu elemanlar yöntemi kullanılarakANSYS yazılımı vasıtasıyla benzetimi yapılmıştır. Bu malzeme modellerinin tanımlanmasıiçin gerekli katsayıların tespitinde üretici firmadan alınan deney sonuçları kullanılmıştır. Budeney sonuçları ANSYS yazılımına aktarılmış ve bu sayede gerekli malzeme modelikatsayıları tespit edilmiştir. Bu katsayılar elde edildikten sonra farklı hiperelastik malzememodelleri kullanılarak sıkıştırma deneyinin benzetimi ANSYS yazılımında yapılmıştır. Dahasonra sıkıştırma deneyi hassas bir cihazla yapılmış, farklı modeller kullanılarak yapılanbenzetim sonuçlarıyla karşılaştırılarak kapı fitilinin modellenmesi için en uygun hiperelastikmalzeme modeli tespit edilmiştir. Uygun hiperelastik malzeme modeli tespit edildikten sonraevrik sonlu elemanlar yöntemi geliştirilerek viskoelastik malzeme modelleri de öncekimodele ilave edilmiştir.Bu çalışmalardan bağımsız olarak tek serbestlik dereceli bir deney düzeneği kurulmuş vebu deney düzeneği kullanılarak kapı fitili için eşdeğer yay sabiti bulunmuştur.Son olarak deneysel ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak araç kapısının modal analiziyapılmıştır. Deneysel modal analizde kapı fitilinin ve sınır şartların etkisini tespit etmekmaksadıyla iki ayrı deney düzeneği kullanılmıştır. Bu düzeneklerin ilkinde araç kapısı elastikiplerle asılmıştır. İkincisinde ise araç havalı yaylarla kaldırılmış, kapı gerçek çalışmakoşullarındaki sınır şartları ile test edilmiştir. Aynı şartlarla kapının modal analizi sonluelemanlar yöntemiyle kapı fitili yerine tek serbestlik dereceli sistemden elde edilen yaysabitleri kullanılarak yapılmıştır. Bu yay sabitleri kullanılarak yapılan sonlu elemanlar analizisonuçları ile deney sonuçlarının birbirlerine oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir.

The interior noise level has been an important design criterion lately in automotiveindustry. Most of the interior noise is generated by the vibrating parts of the vehicle body,mainly the doors. The vibration characteristics of the door panels are affected by theweatherstrip seals. The weatherstrip seals exhibit nonlinear behavior with changingfrequency, compression amplitude, temperature and previous load history. Therefore theweatherstrip seals should be modeled accurately in order to predict the dynamicperformance of the automobiles under various load conditions. For this purpose, we firstdeveloped hyperelastic models of the weatherstrip seal using different strain energyfunctions. In order to estimate the coefficients of the strain energy functions, we used theexperimental tension, compression and shear data provided by the manufacturer of theseal. The coefficients were calculated using curve fitting in ANSYS. After thecoefficients were calculated, the compression test was simulated in ANSYS usingdifferent hyperelastic material models to obtain Compression Load Deflection (CLD)behavior of the weatherstrip seal. Then, compression experiment was conducted using arobotic indenter equipped with force and position sensors. The measured CLD data wasthen compared with the finite element model (FEM) results and the most suitablehyperelastic model for weatherstrip seal was selected. After the selection of thehyperelastic material model, we obtained the viscoelastic properties of the weatherstripseal. Viscoelastic properties were obtained using an ?Inverse Finite Element Solution?technique which required the hyperelastic material properties as an initial guess. Stressrelaxation tests were performed using the robotic indenter to determine the viscoelasticproperties. The required constants were calculated using an optimization algorithm inANSYS utilizing the experimental relaxation data as the reference point.Independent from the previous studies, we built a Single Degree of System (SDOF) todetermine equivalent stiffness and damping coefficients for the weatherstrip seal. The set-up includes a mass and weatherstrip seal underneath to simulate a spring and a dash-potsystem. Experimental modal analysis of the system was performed and equivalentstiffness and damping for the weatherstrip seal were determined.Finally, we conducted experimental and numerical modal analysis of the vehicle doorwith and without the weatherstrip seal. Experimental modal analysis was performed withtwo different configurations to determine the effect of the seal and the boundaryconditions on the vibration characteristics of the vehicle. Numerical modal analysis wasperformed by constructing the finite element model of the system and simulating thesame conditions in the computer environment. Equivalent stiffness values calculatedfrom the SDOF system experiment were used in the FEM. The experimental and modelpredicted results were compared and the effect of the seal on the vehicle dynamics wasdetermined.