基于LS-DYNA的硫化橡膠防塵罩的靜態(tài)特性分析

潘萌嬌

摘 要：利用Hypermesh建立橡膠防塵罩的非線性有限元模型，根據(jù)橡膠材料單軸拉伸試驗數(shù)據(jù)，利用LS-DYNA軟件分析了橡膠防塵罩的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，并進行了優(yōu)化設(shè)計，為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計及優(yōu)化提供理論依據(jù)，減少了試制開發(fā)周期及成本。

關(guān)鍵詞：防塵罩;非線性有限元分析;橡膠

0 前言

目前，橡膠防塵罩已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車各系統(tǒng)中，但防塵罩結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境復(fù)雜，而橡膠材料又具有高度的非線性，單靠臺架試驗在時間和經(jīng)濟成本上都消耗巨大，而且其壽命也和結(jié)構(gòu)相關(guān)，在使用時與其他零件或自身干涉會造成摩擦損壞。

隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，利用高度非線性有限元軟件對橡膠產(chǎn)品進行CAE分析已經(jīng)成為可能。王青春[1]等利用MSC-Marc對車輛橡膠防塵罩進行了靜力學(xué)特性分析。何廣德[2]等利用有限元軟件ABAQUS對萬向節(jié)球頭防塵罩進行優(yōu)化分析。張東葛[3]等利用ANSYS對液壓密封圈進行了分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。LS-DYNA是功能齊全的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性程序。材料模式庫中包含橡膠、塑料、泡沫，所以LS-DYNA可成為橡膠模擬的仿真軟件，本文將基于LS-DYNA探索防塵罩的CAE分析及優(yōu)化。

1 材料曲線的獲取

根據(jù)GB/T 2941制備3組4型啞鈴狀橡膠試樣，試樣長35.0mm，狹窄部分長12.0mm±0.5mm，標(biāo)準(zhǔn)厚度2.0mm±0.2mm，在拉力試驗機上以50mm/min的移動速度進行單軸軸向拉伸試驗，連續(xù)監(jiān)測得到相關(guān)力與位移試驗數(shù)據(jù)，直至試樣狹窄部分?jǐn)嗔选Ｆ溥^程及結(jié)果如圖1所示：

可以看出三組數(shù)據(jù)趨勢比較吻合，第一組試驗所采集的力與位移數(shù)據(jù)位于中值，故選用其并根據(jù)試樣尺寸計算材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。殼體、軸、球銷設(shè)置為剛性材料。

2 建立模型、定義邊界條件、載荷、接觸

防塵罩的結(jié)構(gòu)是軸對稱地，以IGES格式將二維圖導(dǎo)入Hypermesh中，先對對稱面進行mixed網(wǎng)格劃分，調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量后，將面單元旋轉(zhuǎn)360°，合并容差后生成六面體網(wǎng)格單元，單元總數(shù)量為109960個。

本文以防塵罩軸向壓縮3.7mm，繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動23°工況為例。將殼體節(jié)點固定，限制六個自由度，消除模型的剛性位移，將旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置向下壓縮位移3.7mm，再繞X軸旋轉(zhuǎn)23°。設(shè)置防塵罩大口端與殼體接觸綁定，小口端與軸接觸綁定，再用卡箍綁定接觸部位。擺動過程中防塵罩可能產(chǎn)生自接觸，內(nèi)部與軸接觸，防塵罩與殼體接觸，定義以旋轉(zhuǎn)中心為主面，軸體為從面，其余接觸設(shè)置為Singlesurface。

3 求解及結(jié)果分析

計算結(jié)果如圖2所示：

從計算結(jié)果看出，極限位置時防塵罩受壓側(cè)第三波谷處應(yīng)力最大，等效應(yīng)力為2.143MPa;擺角10.5°受壓側(cè)第二波谷就與軸接觸，且防塵罩自接觸，若長時間處于這種狀態(tài)，防塵罩會磨破，泥水灰塵進入導(dǎo)致過早失效，因此需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改進模型分析后的結(jié)果如圖3所示：

圖3所示改進模型一，受壓側(cè)第三波谷等效應(yīng)力為2.029MPa;擺角13.5°時第二波谷才開始與軸接觸，但第三波谷有輕微咬合現(xiàn)象;改進模型二，最大應(yīng)力降到1.969MPa，擺角15.5°時第二波谷才與軸接觸，無咬合現(xiàn)象，自接觸較少，且整體變形情況是三個模型中最好的。從而改進模型二為最合理的設(shè)計方案。

4 結(jié)束語

通過介紹Hypermesh和LS-DYNA對防塵罩進行網(wǎng)格劃分和有限元分析的流程，可得出結(jié)構(gòu)變形及干涉結(jié)果以及應(yīng)力值變化情況，從而改進設(shè)計方案，對同類產(chǎn)品的研究有一定的參考價值，并驗證兩個軟件可以進行橡膠材料的模擬分析，增大了軟件選擇的范圍。

參考文獻：

[1]王青春，鮑際平，寧耕，石洪意.車輛橡膠防塵罩靜力學(xué)特性分析[J].計算機仿真，2011（01）.

[2]何廣德，朱寶寧，洪瑋等.基于有限元分析的汽車萬向節(jié)球頭防塵罩優(yōu)化設(shè)計[J].安徽：第五屆（2014）全國橡膠制品新技術(shù)交流暨信息發(fā)布會，2014.

[3]張東葛，張付英，王世強.基于ANSYS的Y型密封圈結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[J].天津：潤滑與密封，2012（11）.