基于有限元模拟的防毒面具主通话器卡箍受力分析

王玉敏，韩明红*，王 钢，齐嘉豪，潘高阳

（1.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191；2.山西新华化工有限责任公司，山西 太原 030008）

防毒面具是通过面罩将佩戴人员面部器官和皮肤以及呼吸道与外界隔离，通过滤毒罐中吸附剂和过滤层的吸附、吸收、催化和过滤作用将外界的有毒空气进行净化，为佩戴人员提供可安全呼吸的呼吸道防护装备[1-2]。有限元分析（FEA）可以通过模拟对产品结构进行力学分析，以获得尽可能真实的结构受力信息，为产品结构设计提供参考依据。

FEA是通过过程参数选择而确定最佳解决方案的[3-5]，几乎可以求解所有复杂工程问题[6]。例如，通过FEA确立橡胶断裂时的最大主应力[7]、建立煤层气钻车井架的模型并确定其最大应力和最薄弱部位[8]、分析齿轮的应力分布并评估其强度[9]、研究钢筋混凝土中深梁的抗弯性能[10]等。

将FEA运用到防毒面具的研究中可有效缩短研制周期和降低成本，并能够及时发现过程问题而有针对性地提出解决方案。我国使用FEA进行防毒面具的研究相对较少。本研究将FEA运用到防毒面具主通话器卡箍受力分析中，模拟防毒面具主通话器卡箍在不同温度和受力情况下的应力状态，确定防毒面具主通话器卡箍在不同温度和不同位置的最大许用力和最大使用力。

1 防毒面具结构和性能指标

1.1 防毒面具结构

防毒面具主要由罩体、阻水罩、主通话器、副通话器、罐接头座和镜片等零部件组成[11]。主通话器主要由主通话器主体、卡箍和面罩3部分组成，其装配结构如图1所示。

图1 主通话器装配结构Fig.1 Assembly structure of main interphone

主通话器主体和卡箍材料均为塑料（聚酰胺），面罩材料为橡胶。

1.2 卡箍牢固度和面罩气密性

1.2.1 卡箍牢固度

牢固度是指主通话器卡箍的强度。当卡箍在使用过程中受到外力作用发生变形，外力去除后变形完全消失而恢复原状，且不影响后续使用，即卡箍牢固度满足要求。

为保证产品有足够的强度，要求其零部件具有一定的安全因数，以使零部件有足够的安全储备量，保证在最大载荷作用下其工作应力不超过极限应力σs。对于塑料零部件，其工作应力应不超过许用应力[σ]。

式中，[n]s是以屈服极限为基准的许用安全因数。

目前在机械运行中，在静载的情况下，塑料零部件的[n]s一般取1.2～2.5[12]，本研究卡箍取1.6。根据相关检测报告，主通话器卡箍的拉伸强度为50.1 MPa，即极限应力为50.1 MPa，则许用应力为31.3 MPa。

1.2.2 面罩气密性

密封接触区域内应力的大小直接关系到橡胶密封件的密封性能好坏[13]，橡胶密封件能否实现密封的关键是其密封接触区域内最大接触压力是否大于内压[14]。

根据GB/T 2891—1995《过滤式防毒面罩性能试验方法》要求，面罩气密性检验是在正压4.9～5.1 kPa压力下进行的，要求试验1 min内面罩在水下无气泡产生。该标准面罩密封面的接触压力大于0.106 4 MPa，即满足气密性要求。本研究面罩安全因数取5，接触压力大于0.532 MPa且分布均匀，能形成完整的密封圈，即满足气密性要求。

2 FEA系统设置

本研究基于FEA对防毒面具主通话器卡箍进行模拟，分析其在不同温度和受力情况下的应力状态，并通过对比卡箍牢固度和面罩气密性得到主通话器卡箍在不同温度下的最大许用力和最大使用力。

主通话器卡箍组装前的三维模型如图2所示。为符合防毒面具主通话器的实际受力情况，首先在常温下模拟主通话器卡箍的组装过程和主通话器组装后的内部受力情况，之后再对组装完毕的主通话器施加力、温度和载荷，从而得到尽可能准确的受力后主通话器应力状态。

图2 主通话器卡箍组装前的三维模型Fig.2 Three-dimensional model of main interphone clamp before assembly

2.1 材料参数设置

根据主通话器卡箍受力分析的特点，其静力学分析在FEA软件Ansys中进行，在Engineering Data模块中添加相关材料参数。主通话器主体和卡箍材料均为聚酰胺，聚酰胺的材料参数设置为：密度 1.04 Mg·m-3，弹性模量 1 070 MPa，泊松比 0.3，热膨胀系数 1.6×10-5℃-1。

面罩材料为橡胶，橡胶材料通常被认为是各项同性且不可压缩的超弹性材料[15]，目前对橡胶材料力学性能研究的方法主要有唯象学方法[16]和统计热力学方法[17]。Mooney-Rivlin模型是唯象学模型中相对简单，且参数较少的模型，特别是两参数模型，通常被用来模拟应变较小的超弹性橡胶材料[18]。

本研究面罩橡胶材料模型采用Mooney-Rivlin两参数模型，模型参数如下：C011.1 MPa，C100.11 MPa，不可压缩因子D10，热膨胀系数1．85×10-4℃-1，接触类型为有摩擦接触，摩擦因数 0.38，接触行为为非对称行为，接触算法为增强拉格朗日算法。

2.2 载荷设置

2.2.1 位移载荷

模拟的第1步为卡箍组装。固定主通话器主体，对卡箍施加位移载荷，将其组装到主通话器主体上，以确定主通话器组装后的内部受力情况。

2.2.2 力载荷

主通话器组装后，对容易遭受外力的卡箍进行受力分析。防毒面具主通话器卡箍的形状是椭圆形，而椭圆的长轴是刚性最大的部位，短轴是刚性最小的部位，因此选择卡箍的上端和侧端分别进行受力分析。

2.2.3 温度载荷

根据GJB 1155A—2004《过滤式防毒面具通用规范》中环境适应性的要求，防毒面具在－25～40 ℃下应能正常使用，因此环境高温设置为40 ℃，低温设置为－25 ℃，常温设置为20 ℃。

3 结果与讨论

在不同温度下，对防毒面具主通话器卡箍施加不同的力进行模拟分析，从而得到满足卡箍牢固度和面罩气密性的主通话器卡箍最大许用力和小于屈服极限的最大使用力。

3.1 主通话器卡箍上端施力的受力分析

3.1.1 最大许用力

常温下，主通话器卡箍上端施力面积约为72 mm2时，满足卡箍牢固度和面罩气密性要求的卡箍上端斜向45°最大许用力为311 N（220 N＋220 N）（分别指向下分力和向外分力，后同），此时卡箍上端斜向45°施力如图3所示，主通话器接口的整体应力云图如图4所示，面罩应力云图如图5所示。可以看出，该施力状况下主通话器接口应力小于许用应力（31.3 MPa），面罩形成大于0.532 MPa的均匀压力密封圈。当卡箍上端斜向45°施力大于311 N时，主通话器接口的最大应力会超过其许用应力，因此311 N为主通话器卡箍上端斜向45°的最大许用力。

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

图4 卡箍上端斜向45°施力为311 N时主通话器接口应力云图Fig.4 Stress diagram of main interphone interface under 311 N of oblique 45° applying force on upper end of clamp

图5 卡箍上端斜向45°施力为311 N时面罩应力云图Fig.5 Stress diagram of cover under 311 N of oblique 45°applying force on upper end of clamp

随后测定不同温度下满足卡箍牢固度和面罩气密性的主通话器卡箍上端卡箍斜向45°最大许用力，如表1所示。

表1 在不同温度下卡箍上端斜向45°最大许用力Tab.1 Oblique 45° maximum allowable forces on upper end of clamp under different temperaturs

由表1可知，主通话器卡箍上端的斜向45°最大许用力随着温度的升高而减小。

3.1.2 最大使用力

常温下，主通话器卡箍上端在达到屈服极限前可承受的最大力为693 N（490 N＋490 N），此时主通话器接口的应力云图如图6所示。当卡箍上端斜向45°施力大于693 N时，卡箍的应力会超过其屈服应力，卡箍产生永久变形，即应力去除时，卡箍的变形也不能恢复。因此主通话器卡箍上端的斜向45°最大使用力为693 N。

图6 卡箍上端斜向45°施力为693 N时主通话器接口应力云图Fig.6 Stress diagram of main interphone interface under 693 N of oblique 45° applying force on upper end of clamp

随后测得主通话器卡箍上端斜向45°施力为693 N时，在－25，20和40 ℃下主通话器接口最大应力分别为49.458，49.943和50.096 MPa。由此可以看出，在相同施力条件下，主通话器接口最大应力随着温度的升高而增大。这是因为温度越高，物体在受到外力后内部各部分之间产生的相互作用力越大，越容易变形。

3.2 主通话器卡箍侧端施力的受力分析

3.2.1 最大许用力

常温下，主通话器卡箍侧端施力面积约为74 mm2时，满足卡箍牢固度和面罩气密性的卡箍侧端斜向45°最大许用力为71 N（50 N＋50 N），此时卡箍侧端施力如图7所示，主通话器接口的应力云图如图8所示，面罩应力云图如图9所示。可以看出，主通话器最大应力小于31.3 MPa，面罩形成大于0.532 MPa的均匀压力密封圈。当卡箍侧端斜向45°施力大于71 N时，主通话器接口的最大应力会超过其许用应力，因此主通话器卡箍侧端斜向45°最大许用力为71 N。

图7 卡箍侧端斜向45°施力示意Fig.7 Oblique 45° applying force on side end of clamp

图8 卡箍侧端斜向45°施力为71 N时主通话器接口应力云图Fig.8 Stress diagram of main interphone interface under 71 N of oblique 45° applying force on side end of clamp

图9 卡箍侧端斜向45°施力为71 N时面罩应力云图Fig.9 Stress diagram of cover under 71 N of oblique 45°applying force on side end of clamp

随后测定不同温度下满足卡箍牢固度和面罩气密性的主通话器卡箍侧端斜向45°最大许用力，如表2所示。

表2 在不同温度下卡箍侧端斜向45°最大许用力Tab.2 Oblique 45° maximum allowable forces on side end of clamp under different temperatures

从表2可知，主通话器卡箍侧端的斜向45°最大许用力随着温度的升高而减小。

3.2.2 最大使用力

主通话器卡箍侧端在达到屈服极限前可承受的最大使用力为339 N（240 N＋240 N），此时主通话器接口的应力云图如图10所示。当卡箍侧端斜向45°施力大于339 N时，卡箍侧端的应力会超过其屈服应力，卡箍产生永久变形，即应力去除时，卡箍的变形也不能恢复。因此主通话器卡箍侧端的斜向45°最大使用力为339 N。

图10 卡箍侧端斜向45°施力为339 N时主通话器接口应力云图Fig.10 Stress diagram of main interphone interface under 339 N of oblique 45° applying force on side end of clamp

随后测定在不同温度下主通话器卡箍侧端不会产生永久变形的斜向45°最大使用力，结果如表3所示。

表3 在不同温度下卡箍侧端斜向45°最大使用力Tab.3 Oblique 45° maximum use forces of side end of clamp under different temperatures

4 结论

本研究将FEA技术应用到防毒面具主通话器卡箍受力的模拟分析中，得到了卡箍在不同温度和受力情况下的应力状态，确定了卡箍在不同温度和不同位置下的最大许用力、最大使用力及其变化规律，这为卡箍设计提供了参考，可有效缩短防毒面具的研制周期和降低成本，提高防毒面具的产品质量。