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球頭銷總成是汽車轉向系統和懸掛系統的一個重要部件，裝在轉向拉桿或控制臂上，與轉向和懸掛部件連接。它主要由球座、卡箍、防塵罩、壓板和球銷組成，其中最關鍵的零件為防塵罩，其性能影響到車輛的安全性和操縱性。防塵罩材料為橡膠，在使用過程中會發生很大的彈性變形。用一般的二維、三維CAD輔助設計無法確定防塵罩的運動規律和形狀，因而無法判斷防塵罩在工作過程中是否有干涉；長期以來都是通過試制樣品后做臺架試驗或路試來驗證設計，產品試制開發周期長，成本高。

本文應用ABAQUS軟件 ，對某球頭銷總成防塵罩進行仿真分析,探索防塵罩設計的CAE分析方法。

汽車防塵罩非線性有限元分析

防塵罩分析涉及很強的非線性，包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性。其中，

• 幾何非線性：防塵罩材料為橡膠，其在工況中會出現大的彈性變形，已經不能用小變形理論分析；
• 材料非線性：防塵罩材料為橡膠，其應力-應變關系曲線為非線性的，材料本構模型為非線性；
• 接觸非線性：防塵罩工作過程中，防塵罩與其他結構的接觸狀態在分析過程中發生變化。

1、有限元模型建立

（1）有限元網格

防塵罩材料為橡膠，定義為變形體；球座、卡箍、壓板和球銷材料為鋼，變形極小，為了降低計算量，本文將其簡化成剛體，其中球銷、卡箍和壓板為解析剛體，球座為離散剛體，劃分網格模型如圖2所示。

（2）橡膠材料模型選擇

橡膠的力學性能不是采用彈性模型和泊松比等參數來描述，而是采用應變能密度函數來描述。常用六種超彈性本構模型：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

多項式形式本構模型：

Mooney-Rivlin模型是多項式本構模型中的一種，其本構模型表達式如下：

M-R模型的特點是，這種模型是比較簡單的超彈性本構模型，在小應變范圍內（0~100%）能夠較好的表征橡膠材料的力學行為，但在大應變范圍內，模型的表征能力較差，它不能很好的表示橡膠材料在大應變載荷作用下的陡升行為。

(2)Neo-Hookean模型

當完全多項式模型的j=0時，就得到了減縮多項式模型，其表達式如下：

當N=1時就得到了Neo-Hooke模型，它是減縮多項式模型中最簡單的一種，N-H模型表達式如下：

(3)Ogden模型

N為Ogden模型的階數。通常情況下取N=3或N=4即可達到所需要的精度要求。Ogden模型在橡膠的整個應變范圍內部具有較好的模擬能力。Ogden模型在應變高達700%時還能夠很好的擬合試驗數據。

(4)Yeoh應變能函數

當減縮多項式的階數N=3時就得到了常用的Yeoh模型，模型表達式如下：

(5)VanderWaals模型和Arruda-Boyce模型

熱力學統計模型是通過統計橡膠中分子鏈的長度、方向和結構得到的。常用的兩種統計模型為VanderWaals模型和Arruda-Boyce模型。

定義橡膠超彈性材料

進入properties 模塊，然后Create Material →Mechanical→elastic→hyperelastic，材料類型選擇Isotropic，Input source選擇 Test data ，并在Test Data下依次輸入單軸實驗、雙軸實驗和平面剪切實驗數據。

圖3橡膠材料定義

選定下圖4所示3種橡膠材料本構模型進行擬合。

圖4 橡膠材料評估

下圖為擬合曲線與實驗曲線對比結果，紅色表示實驗曲線，其他三種曲線為擬合曲線，從圖5可以看出，綠色曲線OgdenN=3與實驗曲線更為逼近，且材料穩定性滿足要求。

圖5 橡膠材料擬合和材料穩定性

從上面分析結果可知，橡膠本構模型選用OgdenN=3最合適,設置如下圖6所示。

圖 6 橡膠材料本構模型參數設置

（3）分析步定義

分析分為3個過程：

• 防塵罩裝入卡箍和球座之間；
• 壓板往下壓縮一定距離；
• 球銷沿軸線偏轉一定角度。

三個過程分別定義了3個靜力通用分析步，用來模擬3個過程，由于變形較大，打開幾何非線性。

圖 7 分析步定義

（4）相互作用定義

整個過程定義了6對接觸對和一個自接觸。

圖 8 接觸定義

（5）定義邊界條件和載荷

圖9邊界條件和載荷定義

（6）計算結果

從計算結果可以看出，在球銷擺動到極限位置時，防塵罩一側受拉伸，另一側受壓縮。壓縮側防塵罩內部與球銷桿部有接觸，同時防塵罩外部產生自接觸，如果長期處于這種狀態，防塵罩將被磨破，泥水進入后導致球頭銷總成早期失效。

圖 10 仿真計算結果

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