基于LS-DYNA的硫化橡胶防尘罩的静态特性分析

潘萌娇

摘 要：利用Hypermesh建立橡胶防尘罩的非线性有限元模型，根据橡胶材料单轴拉伸试验数据，利用LS-DYNA软件分析了橡胶防尘罩的变形和应力分布规律，并进行了优化设计，为产品开发设计及优化提供理论依据，减少了试制开发周期及成本。

关键词：防尘罩;非线性有限元分析;橡胶

0 前言

目前，橡胶防尘罩已经广泛应用于汽车各系统中，但防尘罩结构和工作环境复杂，而橡胶材料又具有高度的非线性，单靠台架试验在时间和经济成本上都消耗巨大，而且其寿命也和结构相关，在使用时与其他零件或自身干涉会造成摩擦损坏。

随着有限元仿真技术的发展，利用高度非线性有限元软件对橡胶产品进行CAE分析已经成为可能。王青春[1]等利用MSC-Marc对车辆橡胶防尘罩进行了静力学特性分析。何广德[2]等利用有限元软件ABAQUS对万向节球头防尘罩进行优化分析。张东葛[3]等利用ANSYS对液压密封圈进行了分析及结构优化。LS-DYNA是功能齐全的几何非线性、材料非线性和接触非线性程序。材料模式库中包含橡胶、塑料、泡沫，所以LS-DYNA可成为橡胶模拟的仿真软件，本文将基于LS-DYNA探索防尘罩的CAE分析及优化。

1 材料曲线的获取

根据GB/T 2941制备3组4型哑铃状橡胶试样，试样长35.0mm，狭窄部分长12.0mm±0.5mm，标准厚度2.0mm±0.2mm，在拉力试验机上以50mm/min的移动速度进行单轴轴向拉伸试验，连续监测得到相关力与位移试验数据，直至试样狭窄部分断裂。其过程及结果如图1所示：

可以看出三组数据趋势比较吻合，第一组试验所采集的力与位移数据位于中值，故选用其并根据试样尺寸计算材料应力应变曲线。壳体、轴、球销设置为刚性材料。

2 建立模型、定义边界条件、载荷、接触

防尘罩的结构是轴对称地，以IGES格式将二维图导入Hypermesh中，先对对称面进行mixed网格划分，调整网格质量后，将面单元旋转360°，合并容差后生成六面体网格单元，单元总数量为109960个。

本文以防尘罩轴向压缩3.7mm，绕旋转中心转动23°工况为例。将壳体节点固定，限制六个自由度，消除模型的刚性位移，将旋转中心设置向下压缩位移3.7mm，再绕X轴旋转23°。设置防尘罩大口端与壳体接触绑定，小口端与轴接触绑定，再用卡箍绑定接触部位。摆动过程中防尘罩可能产生自接触，内部与轴接触，防尘罩与壳体接触，定义以旋转中心为主面，轴体为从面，其余接触设置为Singlesurface。

3 求解及结果分析

计算结果如图2所示：

从计算结果看出，極限位置时防尘罩受压侧第三波谷处应力最大，等效应力为2.143MPa;摆角10.5°受压侧第二波谷就与轴接触，且防尘罩自接触，若长时间处于这种状态，防尘罩会磨破，泥水灰尘进入导致过早失效，因此需要优化结构，改进模型分析后的结果如图3所示：

图3所示改进模型一，受压侧第三波谷等效应力为2.029MPa;摆角13.5°时第二波谷才开始与轴接触，但第三波谷有轻微咬合现象;改进模型二，最大应力降到1.969MPa，摆角15.5°时第二波谷才与轴接触，无咬合现象，自接触较少，且整体变形情况是三个模型中最好的。从而改进模型二为最合理的设计方案。

4 结束语

通过介绍Hypermesh和LS-DYNA对防尘罩进行网格划分和有限元分析的流程，可得出结构变形及干涉结果以及应力值变化情况，从而改进设计方案，对同类产品的研究有一定的参考价值，并验证两个软件可以进行橡胶材料的模拟分析，增大了软件选择的范围。

参考文献：

[1]王青春，鲍际平，宁耕，石洪意.车辆橡胶防尘罩静力学特性分析[J].计算机仿真，2011（01）.

[2]何广德，朱宝宁，洪玮等.基于有限元分析的汽车万向节球头防尘罩优化设计[J].安徽：第五届（2014）全国橡胶制品新技术交流暨信息发布会，2014.

[3]张东葛，张付英，王世强.基于ANSYS的Y型密封圈结构和工作参数的优化设计[J].天津：润滑与密封，2012（11）.