球头销总成是汽车转向系统和悬挂系统的一个重要部件装在转向拉杆或控制臂上与转向和悬挂部件连接。它主要由球座、卡箍、防尘罩、压板和球销组成其中最关键的零件为防尘罩其性能影响到车辆的安全性和操纵性。防尘罩材料为橡胶在使用过程中会发生很大的弹性变形。用一般的二维、三维CAD辅助设计无法确定防尘罩的运动规律和形状因而无法判断防尘罩在工作过程中是否有干涉长期以来都是通过试制样品后做台架试验或路试来验证设计产品试制开发周期长成本高。本文应用ABAQUS软件 对某球头销总成防尘罩进行仿真分析,探索防尘罩设计的CAE分析方法。汽车防尘罩非线性有限元分析防尘罩分析涉及很强的非线性包括几何非线性、材料非线性和接触非线性。其中几何非线性防尘罩材料为橡胶其在工况中会出现大的弹性变形已经不能用小变形理论分析材料非线性防尘罩材料为橡胶其应力-应变关系曲线为非线性的材料本构模型为非线性接触非线性防尘罩工作过程中防尘罩与其他结构的接触状态在分析过程中发生变化。1、有限元模型建立1有限元网格防尘罩材料为橡胶定义为变形体球座、卡箍、压板和球销材料为钢变形极小为了降低计算量本文将其简化成刚体其中球销、卡箍和压板为解析刚体球座为离散刚体划分网格模型如图2所示。2橡胶材料模型选择橡胶的力学性能不是采用弹性模型和泊松比等参数来描述而是采用应变能密度函数来描述。常用六种超弹性本构模型Mooney-Rivlin模型、Neo-Hooke模型、Yeoh模型、Ogden模型、Vander Waals模型和Arruda-Boyce模型。(1)Mooney-Rivlin模型多项式形式本构模型Mooney-Rivlin模型是多项式本构模型中的一种其本构模型表达式如下M-R模型的特点是这种模型是比较简单的超弹性本构模型在小应变范围内0~100%能够较好的表征橡胶材料的力学行为但在大应变范围内模型的表征能力较差它不能很好的表示橡胶材料在大应变载荷作用下的陡升行为。(2)Neo-Hookean模型当完全多项式模型的j0时就得到了减缩多项式模型其表达式如下当N1时就得到了Neo-Hooke模型它是减缩多项式模型中最简单的一种N-H模型表达式如下(3)Ogden模型N为Ogden模型的阶数。通常情况下取N3或N4即可达到所需要的精度要求。Ogden模型在橡胶的整个应变范围内部具有较好的模拟能力。Ogden模型在应变高达700%时还能够很好的拟合试验数据。(4)Yeoh应变能函数当减缩多项式的阶数N3时就得到了常用的Yeoh模型模型表达式如下(5)VanderWaals模型和Arruda-Boyce模型热力学统计模型是通过统计橡胶中分子链的长度、方向和结构得到的。常用的两种统计模型为VanderWaals模型和Arruda-Boyce模型。定义橡胶超弹性材料进入properties 模块然后Create Material →Mechanical→elastic→hyperelastic材料类型选择IsotropicInput source选择 Test data 并在Test Data下依次输入单轴实验、双轴实验和平面剪切实验数据。图3橡胶材料定义选定下图4所示3种橡胶材料本构模型进行拟合。图4 橡胶材料评估下图为拟合曲线与实验曲线对比结果红色表示实验曲线其他三种曲线为拟合曲线从图5可以看出绿色曲线OgdenN3与实验曲线更为逼近且材料稳定性满足要求。图5 橡胶材料拟合和材料稳定性从上面分析结果可知橡胶本构模型选用OgdenN3最合适,设置如下图6所示。图 6 橡胶材料本构模型参数设置3分析步定义分析分为3个过程防尘罩装入卡箍和球座之间压板往下压缩一定距离球销沿轴线偏转一定角度。三个过程分别定义了3个静力通用分析步用来模拟3个过程由于变形较大打开几何非线性。图 7 分析步定义4相互作用定义整个过程定义了6对接触对和一个自接触。图 8 接触定义5定义边界条件和载荷图9边界条件和载荷定义6计算结果从计算结果可以看出在球销摆动到极限位置时防尘罩一侧受拉伸另一侧受压缩。压缩侧防尘罩内部与球销杆部有接触同时防尘罩外部产生自接触如果长期处于这种状态防尘罩将被磨破泥水进入后导致球头销总成早期失效。图 10 仿真计算结果