基于有限元模擬的防毒面具主通話器卡箍受力分析

王玉敏，韓明紅*，王 鋼，齊嘉豪，潘高陽

（1.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；2.山西新華化工有限責(zé)任公司，山西 太原 030008）

防毒面具是通過面罩將佩戴人員面部器官和皮膚以及呼吸道與外界隔離，通過濾毒罐中吸附劑和過濾層的吸附、吸收、催化和過濾作用將外界的有毒空氣進(jìn)行凈化，為佩戴人員提供可安全呼吸的呼吸道防護(hù)裝備[1-2]。有限元分析（FEA）可以通過模擬對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，以獲得盡可能真實的結(jié)構(gòu)受力信息，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。

FEA是通過過程參數(shù)選擇而確定最佳解決方案的[3-5]，幾乎可以求解所有復(fù)雜工程問題[6]。例如，通過FEA確立橡膠斷裂時的最大主應(yīng)力[7]、建立煤層氣鉆車井架的模型并確定其最大應(yīng)力和最薄弱部位[8]、分析齒輪的應(yīng)力分布并評估其強(qiáng)度[9]、研究鋼筋混凝土中深梁的抗彎性能[10]等。

將FEA運(yùn)用到防毒面具的研究中可有效縮短研制周期和降低成本，并能夠及時發(fā)現(xiàn)過程問題而有針對性地提出解決方案。我國使用FEA進(jìn)行防毒面具的研究相對較少。本研究將FEA運(yùn)用到防毒面具主通話器卡箍受力分析中，模擬防毒面具主通話器卡箍在不同溫度和受力情況下的應(yīng)力狀態(tài)，確定防毒面具主通話器卡箍在不同溫度和不同位置的最大許用力和最大使用力。

1 防毒面具結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)

1.1 防毒面具結(jié)構(gòu)

防毒面具主要由罩體、阻水罩、主通話器、副通話器、罐接頭座和鏡片等零部件組成[11]。主通話器主要由主通話器主體、卡箍和面罩3部分組成，其裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主通話器裝配結(jié)構(gòu)Fig.1 Assembly structure of main interphone

主通話器主體和卡箍材料均為塑料（聚酰胺），面罩材料為橡膠。

1.2 卡箍牢固度和面罩氣密性

1.2.1 卡箍牢固度

牢固度是指主通話器卡箍的強(qiáng)度。當(dāng)卡箍在使用過程中受到外力作用發(fā)生變形，外力去除后變形完全消失而恢復(fù)原狀，且不影響后續(xù)使用，即卡箍牢固度滿足要求。

為保證產(chǎn)品有足夠的強(qiáng)度，要求其零部件具有一定的安全因數(shù)，以使零部件有足夠的安全儲備量，保證在最大載荷作用下其工作應(yīng)力不超過極限應(yīng)力σs。對于塑料零部件，其工作應(yīng)力應(yīng)不超過許用應(yīng)力[σ]。

式中，[n]s是以屈服極限為基準(zhǔn)的許用安全因數(shù)。

目前在機(jī)械運(yùn)行中，在靜載的情況下，塑料零部件的[n]s一般取1.2～2.5[12]，本研究卡箍取1.6。根據(jù)相關(guān)檢測報告，主通話器卡箍的拉伸強(qiáng)度為50.1 MPa，即極限應(yīng)力為50.1 MPa，則許用應(yīng)力為31.3 MPa。

1.2.2 面罩氣密性

密封接觸區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的大小直接關(guān)系到橡膠密封件的密封性能好壞[13]，橡膠密封件能否實現(xiàn)密封的關(guān)鍵是其密封接觸區(qū)域內(nèi)最大接觸壓力是否大于內(nèi)壓[14]。

根據(jù)GB/T 2891—1995《過濾式防毒面罩性能試驗方法》要求，面罩氣密性檢驗是在正壓4.9～5.1 kPa壓力下進(jìn)行的，要求試驗1 min內(nèi)面罩在水下無氣泡產(chǎn)生。該標(biāo)準(zhǔn)面罩密封面的接觸壓力大于0.106 4 MPa，即滿足氣密性要求。本研究面罩安全因數(shù)取5，接觸壓力大于0.532 MPa且分布均勻，能形成完整的密封圈，即滿足氣密性要求。

2 FEA系統(tǒng)設(shè)置

本研究基于FEA對防毒面具主通話器卡箍進(jìn)行模擬，分析其在不同溫度和受力情況下的應(yīng)力狀態(tài)，并通過對比卡箍牢固度和面罩氣密性得到主通話器卡箍在不同溫度下的最大許用力和最大使用力。

主通話器卡箍組裝前的三維模型如圖2所示。為符合防毒面具主通話器的實際受力情況，首先在常溫下模擬主通話器卡箍的組裝過程和主通話器組裝后的內(nèi)部受力情況，之后再對組裝完畢的主通話器施加力、溫度和載荷，從而得到盡可能準(zhǔn)確的受力后主通話器應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 主通話器卡箍組裝前的三維模型Fig.2 Three-dimensional model of main interphone clamp before assembly

2.1 材料參數(shù)設(shè)置

根據(jù)主通話器卡箍受力分析的特點(diǎn)，其靜力學(xué)分析在FEA軟件Ansys中進(jìn)行，在Engineering Data模塊中添加相關(guān)材料參數(shù)。主通話器主體和卡箍材料均為聚酰胺，聚酰胺的材料參數(shù)設(shè)置為：密度 1.04 Mg·m-3，彈性模量 1 070 MPa，泊松比 0.3，熱膨脹系數(shù) 1.6×10-5℃-1。

面罩材料為橡膠，橡膠材料通常被認(rèn)為是各項同性且不可壓縮的超彈性材料[15]，目前對橡膠材料力學(xué)性能研究的方法主要有唯象學(xué)方法[16]和統(tǒng)計熱力學(xué)方法[17]。Mooney-Rivlin模型是唯象學(xué)模型中相對簡單，且參數(shù)較少的模型，特別是兩參數(shù)模型，通常被用來模擬應(yīng)變較小的超彈性橡膠材料[18]。

本研究面罩橡膠材料模型采用Mooney-Rivlin兩參數(shù)模型，模型參數(shù)如下：C011.1 MPa，C100.11 MPa，不可壓縮因子D10，熱膨脹系數(shù)1．85×10-4℃-1，接觸類型為有摩擦接觸，摩擦因數(shù) 0.38，接觸行為為非對稱行為，接觸算法為增強(qiáng)拉格朗日算法。

2.2 載荷設(shè)置

2.2.1 位移載荷

模擬的第1步為卡箍組裝。固定主通話器主體，對卡箍施加位移載荷，將其組裝到主通話器主體上，以確定主通話器組裝后的內(nèi)部受力情況。

2.2.2 力載荷

主通話器組裝后，對容易遭受外力的卡箍進(jìn)行受力分析。防毒面具主通話器卡箍的形狀是橢圓形，而橢圓的長軸是剛性最大的部位，短軸是剛性最小的部位，因此選擇卡箍的上端和側(cè)端分別進(jìn)行受力分析。

2.2.3 溫度載荷

根據(jù)GJB 1155A—2004《過濾式防毒面具通用規(guī)范》中環(huán)境適應(yīng)性的要求，防毒面具在－25～40 ℃下應(yīng)能正常使用，因此環(huán)境高溫設(shè)置為40 ℃，低溫設(shè)置為－25 ℃，常溫設(shè)置為20 ℃。

3 結(jié)果與討論

在不同溫度下，對防毒面具主通話器卡箍施加不同的力進(jìn)行模擬分析，從而得到滿足卡箍牢固度和面罩氣密性的主通話器卡箍最大許用力和小于屈服極限的最大使用力。

3.1 主通話器卡箍上端施力的受力分析

3.1.1 最大許用力

常溫下，主通話器卡箍上端施力面積約為72 mm2時，滿足卡箍牢固度和面罩氣密性要求的卡箍上端斜向45°最大許用力為311 N（220 N＋220 N）（分別指向下分力和向外分力，后同），此時卡箍上端斜向45°施力如圖3所示，主通話器接口的整體應(yīng)力云圖如圖4所示，面罩應(yīng)力云圖如圖5所示。可以看出，該施力狀況下主通話器接口應(yīng)力小于許用應(yīng)力（31.3 MPa），面罩形成大于0.532 MPa的均勻壓力密封圈。當(dāng)卡箍上端斜向45°施力大于311 N時，主通話器接口的最大應(yīng)力會超過其許用應(yīng)力，因此311 N為主通話器卡箍上端斜向45°的最大許用力。

圖3 卡箍上端斜向45°施力示意Fig.3 Oblique 45° applying force on upper end of clamp

圖4 卡箍上端斜向45°施力為311 N時主通話器接口應(yīng)力云圖Fig.4 Stress diagram of main interphone interface under 311 N of oblique 45° applying force on upper end of clamp

圖5 卡箍上端斜向45°施力為311 N時面罩應(yīng)力云圖Fig.5 Stress diagram of cover under 311 N of oblique 45°applying force on upper end of clamp

隨后測定不同溫度下滿足卡箍牢固度和面罩氣密性的主通話器卡箍上端卡箍斜向45°最大許用力，如表1所示。

表1 在不同溫度下卡箍上端斜向45°最大許用力Tab.1 Oblique 45° maximum allowable forces on upper end of clamp under different temperaturs

由表1可知，主通話器卡箍上端的斜向45°最大許用力隨著溫度的升高而減小。

3.1.2 最大使用力

常溫下，主通話器卡箍上端在達(dá)到屈服極限前可承受的最大力為693 N（490 N＋490 N），此時主通話器接口的應(yīng)力云圖如圖6所示。當(dāng)卡箍上端斜向45°施力大于693 N時，卡箍的應(yīng)力會超過其屈服應(yīng)力，卡箍產(chǎn)生永久變形，即應(yīng)力去除時，卡箍的變形也不能恢復(fù)。因此主通話器卡箍上端的斜向45°最大使用力為693 N。

圖6 卡箍上端斜向45°施力為693 N時主通話器接口應(yīng)力云圖Fig.6 Stress diagram of main interphone interface under 693 N of oblique 45° applying force on upper end of clamp

隨后測得主通話器卡箍上端斜向45°施力為693 N時，在－25，20和40 ℃下主通話器接口最大應(yīng)力分別為49.458，49.943和50.096 MPa。由此可以看出，在相同施力條件下，主通話器接口最大應(yīng)力隨著溫度的升高而增大。這是因為溫度越高，物體在受到外力后內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生的相互作用力越大，越容易變形。

3.2 主通話器卡箍側(cè)端施力的受力分析

3.2.1 最大許用力

常溫下，主通話器卡箍側(cè)端施力面積約為74 mm2時，滿足卡箍牢固度和面罩氣密性的卡箍側(cè)端斜向45°最大許用力為71 N（50 N＋50 N），此時卡箍側(cè)端施力如圖7所示，主通話器接口的應(yīng)力云圖如圖8所示，面罩應(yīng)力云圖如圖9所示。可以看出，主通話器最大應(yīng)力小于31.3 MPa，面罩形成大于0.532 MPa的均勻壓力密封圈。當(dāng)卡箍側(cè)端斜向45°施力大于71 N時，主通話器接口的最大應(yīng)力會超過其許用應(yīng)力，因此主通話器卡箍側(cè)端斜向45°最大許用力為71 N。

圖7 卡箍側(cè)端斜向45°施力示意Fig.7 Oblique 45° applying force on side end of clamp

圖8 卡箍側(cè)端斜向45°施力為71 N時主通話器接口應(yīng)力云圖Fig.8 Stress diagram of main interphone interface under 71 N of oblique 45° applying force on side end of clamp

圖9 卡箍側(cè)端斜向45°施力為71 N時面罩應(yīng)力云圖Fig.9 Stress diagram of cover under 71 N of oblique 45°applying force on side end of clamp

隨后測定不同溫度下滿足卡箍牢固度和面罩氣密性的主通話器卡箍側(cè)端斜向45°最大許用力，如表2所示。

表2 在不同溫度下卡箍側(cè)端斜向45°最大許用力Tab.2 Oblique 45° maximum allowable forces on side end of clamp under different temperatures

從表2可知，主通話器卡箍側(cè)端的斜向45°最大許用力隨著溫度的升高而減小。

3.2.2 最大使用力

主通話器卡箍側(cè)端在達(dá)到屈服極限前可承受的最大使用力為339 N（240 N＋240 N），此時主通話器接口的應(yīng)力云圖如圖10所示。當(dāng)卡箍側(cè)端斜向45°施力大于339 N時，卡箍側(cè)端的應(yīng)力會超過其屈服應(yīng)力，卡箍產(chǎn)生永久變形，即應(yīng)力去除時，卡箍的變形也不能恢復(fù)。因此主通話器卡箍側(cè)端的斜向45°最大使用力為339 N。

圖10 卡箍側(cè)端斜向45°施力為339 N時主通話器接口應(yīng)力云圖Fig.10 Stress diagram of main interphone interface under 339 N of oblique 45° applying force on side end of clamp

隨后測定在不同溫度下主通話器卡箍側(cè)端不會產(chǎn)生永久變形的斜向45°最大使用力，結(jié)果如表3所示。

表3 在不同溫度下卡箍側(cè)端斜向45°最大使用力Tab.3 Oblique 45° maximum use forces of side end of clamp under different temperatures

4 結(jié)論

本研究將FEA技術(shù)應(yīng)用到防毒面具主通話器卡箍受力的模擬分析中，得到了卡箍在不同溫度和受力情況下的應(yīng)力狀態(tài)，確定了卡箍在不同溫度和不同位置下的最大許用力、最大使用力及其變化規(guī)律，這為卡箍設(shè)計提供了參考，可有效縮短防毒面具的研制周期和降低成本，提高防毒面具的產(chǎn)品質(zhì)量。