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j=0时，就得到了减缩多项式模型，其表达式如下：
当N=1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N=3或N=4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N=3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Isotropic，Input 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OgdenN=3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OgdenN=3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