防护装备技术研究
ChinaPersonalProtectiveEquipment
CPPE
基于ABAQUS的呼吸防护面具
卡扣装配设计
刘
（武汉理工大学
容
余世浩
李武汉
霞
材料学院
430070）
【摘要】在对呼吸防护面具结构和装配力学分析的基础上，确定了卡扣装配尺寸、受力、变形的关系表
达式。在表达式的基础上，建立了环型卡扣装配分析模型，并用ABAQUS软件分析了卡扣不同过盈量和插入角对卡扣连接和装配力的影响，进而根据最大装配力、最大应变与许用应变的关系，得到了环型卡扣的最佳过盈量、最佳插入角，满足了装配可靠、连接紧凑和密封性好的要求。【关键词】
呼吸防护面具
圆环型卡扣
装配设计
接触分析
非线性
AssemblyDesignofanABAQUS-basedRespirator
LIURong
YUShihao
LIXia
Wuhan
430070）
（CollegeofMaterial，WuhanUniversityofTechnology
【Abstract】Accordingtorespiratorstructureandmechanicalanalysis,therelationalexpressionofsnap-fit's
assemblingdimension,forceanddeformationhavebeendetermination.Baseontherelationalexpression,amechanicalanalysismodelingofringtypesnap-fithavebeenestablished,anddifferentinterferenceandinsertedangleinfluenceonsnap-fitconnectionandassemblingforcehasbeenanalyzedbyABAQUS,andthenaccordingtotherelationofthelargestassemblingforce,thelargeststrainandallowablestrain,thebestinterferenceandinsertedanglewhichcanmeettherequirementofreliableassemblingandcompactconnectandgoodhermetizationhavebeenobtained.
【Keywords】respirator；ringtypesnap-fit；assemblydesign；contactanalysis；non-linearity
1引言
呼吸防护面具是一种将含有
别已达到相当数量，加之国外呼吸防护面具陆续登陆，进一步丰富了国内呼吸防护面具市场。但是，国内自主研发的呼吸防护面具还存在着很多问题［1］，如卡扣连接不够紧凑、结实，密封性差等。本文针对这些问题，采用简化求解方法确定相关部分的初步尺寸，然后用CAE方法优化防护面具连接部位尺寸，实现连接
部分的精确定位，解决呼吸防护面具的结构紧凑性和密封性等问题。
粉尘或有害的气体加以净化供呼吸用的呼吸防护器，被广泛应用在空气中含有粉尘和有害物质工作的场合。呼吸防护面具一般采用机械过滤方式，其防尘防毒效果直接影响工作人员的身体健康与生命安全。我国呼吸防护面具历经半个世纪的发展，其品种类
2呼吸防护面具的结构分析本文以防护半面具为例进行
研究，为便于装配分析，将防护半面具结构分为两个部分：主体部分（图1）和滤毒（或滤尘）部分。主体部分与滤毒滤尘部分通过卡扣装配连接分别组成防毒
2010年第2期
中国个体防护装备15
CPPE防护装备技术研究
ChinaPersonalProtectiveEquipment
组合（图2为3M公司3000系列防护面具的防毒组合）和防尘组合。防护面具的使用有两个特点：一是防护面具连接卡扣需要经常拆装；二是在含有粉尘或有毒环境下使用，只允许气体从特定的通道过滤后进入主体面罩的空腔。因此，主体与滤毒（尘）的连接要求设置为可拆卸且密封性良好的弹性卡扣。
图1
防护面具主体
图2
防毒面具组合
主体与滤毒（尘）部分的卡扣连接方式有多种，环型锁紧卡扣是一种常用的卡扣形式［2］，本文以环型卡扣为例，通过卡扣装配过程的模拟分析优选卡扣尺寸，确保连接卡扣的连接可靠性和密封性。
卡扣的简化求解
环型卡扣的装配结构如图3所示。图中，a为插入角，b为保持角，y为双边过盈量，d为连接处直径，di为内圈内径，d0为外圈外径，Fi为装配时轴向力（简称装配力），Fr为拆卸时轴向力（简称拆卸力）。根据最大许用应变和装配力，可确定最大过盈量和插入角。
162010年第2期
中国个体防护装备
图3环型卡扣的装配结构
3.1卡扣的简化计算
根据力学理论，可得到相关参数计算表达式［3］：最大应变
e=yd
×100%（1）
插入力
Fi=
0.62ydE002）
(d(m+tana)/(1-mtana)（0/d)+1(d+m
0/d)2
-1
保持力Fr=
0.62ydE00)/(1-mtanb)（3）
(d2
(m+tanb0/d)+1
(d+m
0/d)-1
3.2材料最大许用应变的确定
根据塑料材料有无明确屈服点，许用应变有两种确定方法，如图4所示
。
图4
塑料的应力应变曲线
（1）有明确屈服点材料（图4（a））
当装拆次数较少（约1～10次）时，取屈服点处应变的70％为最大许用应变；当装拆次数较多（>10次）时，取屈服点处应变的40％为最大许用应变。
（2）无明确屈服点材料（图
4（b））
当装拆次数较少（约1～10次）时，取断裂点处应变的50％为最大许用应变；当装拆次数较多（>10次）时，取断裂点处应变的30％为最大许用应变［4］。
ABS的屈服点伸长率为
（4.5~4.7）%，取最小值4.5%。因防护面具的滤毒和滤尘组合需经常更换，且ABS属于有明显屈服点的材料，故取许用应变为：
4.5%×0.4=1.8%。3.3卡扣的简化求解
设卡扣的装配和拆卸力相同，由此得到a=b、Fi=Fr。图3所示呼吸防护面具的尺寸为：d=
36mm，di=32mm，d0=40mm，弹
性模量为E=1.76E9，泊松比m=0.35，最大许用应变e=1.8%，代
入（1）式可求得最大的双边过盈量y=0.648，则最大单边过盈量t=y/2=0.324。
一般来说，合理的卡扣装配力应控制在100N左右（因为滤盒的重力远远小于拆卸力，因此不需考虑滤盒脱落的问题）。根据（2）式可知，tana、m（m=y/
tana）和a在装配力取定值的情
况下与双边过盈量y的取值有关，装配力取100N时相应的单边过盈量t所对应的tana、m和
a的值如表1所列。4
卡扣装配过程分析
卡扣装配属于接触问题，装配载荷随装配过程变化，具有边界非线性；卡扣的基本材料为
ABS，因拆装和密封性要求，不
允许接触部分有明显塑性变形，可将这类问题归为材料非线性问题中的非线性弹性问题。实际接触问题是由接触边界上边界条件非线性引起的，但往往也伴随材料非线性和（或）几何非线性，因此卡扣装配属于边界条件非线性问题并伴随有材料非线性中的非线性弹性问题。本文用ABAQUS软件［5］进行卡扣装配过程的模拟分析，重点分析单边过盈量和插入角对装配性能的影响。
4.1装配模型的建立
防护面具的装配分析可以简化为卡扣连接部位的分析，基于卡扣连接结构和载荷特点，按轴对称问题来建模，将三维问题简化为二维问题，并采用Part功能模块直接建模，大大降低模型的规模，缩短计算时间。图5所示为卡扣连接部位的截面图。
图5
卡扣连接部位截面图
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4.2创建材料属性及网格划分
根据接触问题的基本假定，接触部分的摩擦选择库伦摩擦，卡扣材料选用ABS，弹性模量为
EX=1.76E9、泊松比m为0.35和
滑动摩擦系数MU=0.38［1］。
网格剖分分为两步骤：首先将部件实体的边界分割成若干部分，然后对部件的实体进行剖分网格。轴对称图形一般选择4节点四边形双线性非协调轴对称单元———CAX4I［6］，其他的步骤采用系统默认设置。
4.3边界条件和载荷步的设置
边界条件以及载荷步的设置均与自由度有关，二维有3个自由度分别为U1、U2和UR1。其中，前两个为平移自由度，第三个为转动自由度。边界条件设置：卡扣内圈下底面与主体连接属于固定连接，因此将其底部位移固定，即U1、U2方向位移为0，第三个转动自由度UR1不受限制；卡扣外圈顶部U1固定，U2的位移设置为L=-（3m+2×0.5）mm（L为装配时外圈向下运动的距离，如图5所示）。载荷步设置：为利于收敛，分析开始时接触对就相互接触。装配过程设置为两个步骤：第一步，卡扣的外圈向下移动m，使环卡扣的内外圈接触；第二步，外圈继续下移，完成整个装配过程，并将卡扣的第二步的装配过程细分为10步。图
6所示为卡扣装配分析模型。4.4提交计算与后处理
完成前处理便可提交计算，随后进入后处理模块进行分析处
理。图7和图8所示分别为
为
2010年第2期
中国个体防护装备17
CPPE防护装备技术研究
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Mises应力变化云图和各个节点的等效应变随时间
变化曲线图。后处理中，模拟分析的最大等效应变必须小于材料的许用应变，由此确定卡扣的最佳过盈量t；最大插入力Fi应在合适的区间内，既保证卡扣不会脱出，又便于卡扣的安装。表1所示列取不同过盈量和插入角时卡扣的分析结果。
图6
卡扣装配分析模型
图7
Mises
等效应力变化云图
由表1可知，t为0.42时，不仅满足许用应变
182010年第2期
中国个体防护装备
图8
各个节点的等效应变随时间变化曲线
表1t取不同值时的最大应力应变
t（t=y/2）值0.3
0.40.420.430.45tana
0.900.690.660.640.61F=100计算值m（mm）
0.40.60.70.70.8a（°）
36.9
33.7
31.6
31.0
39.4
模拟结果
s（Mpa）1.6312.82346.96033.8717.44e（%）0.327
0.4351.0803.5185.631
5结论
在环型卡扣装配力学分析的基础上，得到了卡扣装配的最大应变、装配力和拆卸力关系表达式，从而可以计算出卡扣的初步尺寸，作为卡扣结构设计的初步依据；通过装配过程的模拟与分析，确定了最佳过盈量和合理的装配力，提高了装配的可靠性和密封效果。
参考文献
［1］丁松涛．呼吸防护用品的应用、现状与发展前景［A］．
中国职业安全健康协会．中国职业安全健康协会首届年会论文集［C］．重庆：防化研究所，2004．50．
［2］保罗R．博登伯著，冯连勋，马秀清译．塑料卡扣连接技
术［M］．北京：化学工业出版社，2004．
［3］Snap-fitJointsforPlasticsPolymerDivision［Z］USA：
BayerCorporation，1998．
［4］陈燕．塑料卡扣设计研究及CAD应用模块开发［D］．无
锡：江南大学，2006．9-10．
［5］凌道盛，徐兴．非线性有限元及程序［M］．杭州：浙江大学
出版社，2004．
［6］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解［M］．
北京：机械工业出版社，2006．
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基于ABAQUS的呼吸防护面具
卡扣装配设计
刘
（武汉理工大学
容
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430070）
【摘要】在对呼吸防护面具结构和装配力学分析的基础上，确定了卡扣装配尺寸、受力、变形的关系表
达式。在表达式的基础上，建立了环型卡扣装配分析模型，并用ABAQUS软件分析了卡扣不同过盈量和插入角对卡扣连接和装配力的影响，进而根据最大装配力、最大应变与许用应变的关系，得到了环型卡扣的最佳过盈量、最佳插入角，满足了装配可靠、连接紧凑和密封性好的要求。【关键词】
呼吸防护面具
圆环型卡扣
装配设计
接触分析
非线性
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LIURong
YUShihao
LIXia
Wuhan
430070）
（CollegeofMaterial，WuhanUniversityofTechnology
【Abstract】Accordingtorespiratorstructureandmechanicalanalysis,therelationalexpressionofsnap-fit's
assemblingdimension,forceanddeformationhavebeendetermination.Baseontherelationalexpression,amechanicalanalysismodelingofringtypesnap-fithavebeenestablished,anddifferentinterferenceandinsertedangleinfluenceonsnap-fitconnectionandassemblingforcehasbeenanalyzedbyABAQUS,andthenaccordingtotherelationofthelargestassemblingforce,thelargeststrainandallowablestrain,thebestinterferenceandinsertedanglewhichcanmeettherequirementofreliableassemblingandcompactconnectandgoodhermetizationhavebeenobtained.
【Keywords】respirator；ringtypesnap-fit；assemblydesign；contactanalysis；non-linearity
1引言
呼吸防护面具是一种将含有
别已达到相当数量，加之国外呼吸防护面具陆续登陆，进一步丰富了国内呼吸防护面具市场。但是，国内自主研发的呼吸防护面具还存在着很多问题［1］，如卡扣连接不够紧凑、结实，密封性差等。本文针对这些问题，采用简化求解方法确定相关部分的初步尺寸，然后用CAE方法优化防护面具连接部位尺寸，实现连接
部分的精确定位，解决呼吸防护面具的结构紧凑性和密封性等问题。
粉尘或有害的气体加以净化供呼吸用的呼吸防护器，被广泛应用在空气中含有粉尘和有害物质工作的场合。呼吸防护面具一般采用机械过滤方式，其防尘防毒效果直接影响工作人员的身体健康与生命安全。我国呼吸防护面具历经半个世纪的发展，其品种类
2呼吸防护面具的结构分析本文以防护半面具为例进行
研究，为便于装配分析，将防护半面具结构分为两个部分：主体部分（图1）和滤毒（或滤尘）部分。主体部分与滤毒滤尘部分通过卡扣装配连接分别组成防毒
2010年第2期
中国个体防护装备15
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组合（图2为3M公司3000系列防护面具的防毒组合）和防尘组合。防护面具的使用有两个特点：一是防护面具连接卡扣需要经常拆装；二是在含有粉尘或有毒环境下使用，只允许气体从特定的通道过滤后进入主体面罩的空腔。因此，主体与滤毒（尘）的连接要求设置为可拆卸且密封性良好的弹性卡扣。
图1
防护面具主体
图2
防毒面具组合
主体与滤毒（尘）部分的卡扣连接方式有多种，环型锁紧卡扣是一种常用的卡扣形式［2］，本文以环型卡扣为例，通过卡扣装配过程的模拟分析优选卡扣尺寸，确保连接卡扣的连接可靠性和密封性。
卡扣的简化求解
环型卡扣的装配结构如图3所示。图中，a为插入角，b为保持角，y为双边过盈量，d为连接处直径，di为内圈内径，d0为外圈外径，Fi为装配时轴向力（简称装配力），Fr为拆卸时轴向力（简称拆卸力）。根据最大许用应变和装配力，可确定最大过盈量和插入角。
162010年第2期
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图3环型卡扣的装配结构
3.1卡扣的简化计算
根据力学理论，可得到相关参数计算表达式［3］：最大应变
e=yd
×100%（1）
插入力
Fi=
0.62ydE002）
(d(m+tana)/(1-mtana)（0/d)+1(d+m
0/d)2
-1
保持力Fr=
0.62ydE00)/(1-mtanb)（3）
(d2
(m+tanb0/d)+1
(d+m
0/d)-1
3.2材料最大许用应变的确定
根据塑料材料有无明确屈服点，许用应变有两种确定方法，如图4所示
。
图4
塑料的应力应变曲线
（1）有明确屈服点材料（图4（a））
当装拆次数较少（约1～10次）时，取屈服点处应变的70％为最大许用应变；当装拆次数较多（>10次）时，取屈服点处应变的40％为最大许用应变。
（2）无明确屈服点材料（图
4（b））
当装拆次数较少（约1～10次）时，取断裂点处应变的50％为最大许用应变；当装拆次数较多（>10次）时，取断裂点处应变的30％为最大许用应变［4］。
ABS的屈服点伸长率为
（4.5~4.7）%，取最小值4.5%。因防护面具的滤毒和滤尘组合需经常更换，且ABS属于有明显屈服点的材料，故取许用应变为：
4.5%×0.4=1.8%。3.3卡扣的简化求解
设卡扣的装配和拆卸力相同，由此得到a=b、Fi=Fr。图3所示呼吸防护面具的尺寸为：d=
36mm，di=32mm，d0=40mm，弹
性模量为E=1.76E9，泊松比m=0.35，最大许用应变e=1.8%，代
入（1）式可求得最大的双边过盈量y=0.648，则最大单边过盈量t=y/2=0.324。
一般来说，合理的卡扣装配力应控制在100N左右（因为滤盒的重力远远小于拆卸力，因此不需考虑滤盒脱落的问题）。根据（2）式可知，tana、m（m=y/
tana）和a在装配力取定值的情
况下与双边过盈量y的取值有关，装配力取100N时相应的单边过盈量t所对应的tana、m和
a的值如表1所列。4
卡扣装配过程分析
卡扣装配属于接触问题，装配载荷随装配过程变化，具有边界非线性；卡扣的基本材料为
ABS，因拆装和密封性要求，不
允许接触部分有明显塑性变形，可将这类问题归为材料非线性问题中的非线性弹性问题。实际接触问题是由接触边界上边界条件非线性引起的，但往往也伴随材料非线性和（或）几何非线性，因此卡扣装配属于边界条件非线性问题并伴随有材料非线性中的非线性弹性问题。本文用ABAQUS软件［5］进行卡扣装配过程的模拟分析，重点分析单边过盈量和插入角对装配性能的影响。
4.1装配模型的建立
防护面具的装配分析可以简化为卡扣连接部位的分析，基于卡扣连接结构和载荷特点，按轴对称问题来建模，将三维问题简化为二维问题，并采用Part功能模块直接建模，大大降低模型的规模，缩短计算时间。图5所示为卡扣连接部位的截面图。
图5
卡扣连接部位截面图
防护装备技术研究
ChinaPersonalProtectiveEquipment
CPPE
4.2创建材料属性及网格划分
根据接触问题的基本假定，接触部分的摩擦选择库伦摩擦，卡扣材料选用ABS，弹性模量为
EX=1.76E9、泊松比m为0.35和
滑动摩擦系数MU=0.38［1］。
网格剖分分为两步骤：首先将部件实体的边界分割成若干部分，然后对部件的实体进行剖分网格。轴对称图形一般选择4节点四边形双线性非协调轴对称单元———CAX4I［6］，其他的步骤采用系统默认设置。
4.3边界条件和载荷步的设置
边界条件以及载荷步的设置均与自由度有关，二维有3个自由度分别为U1、U2和UR1。其中，前两个为平移自由度，第三个为转动自由度。边界条件设置：卡扣内圈下底面与主体连接属于固定连接，因此将其底部位移固定，即U1、U2方向位移为0，第三个转动自由度UR1不受限制；卡扣外圈顶部U1固定，U2的位移设置为L=-（3m+2×0.5）mm（L为装配时外圈向下运动的距离，如图5所示）。载荷步设置：为利于收敛，分析开始时接触对就相互接触。装配过程设置为两个步骤：第一步，卡扣的外圈向下移动m，使环卡扣的内外圈接触；第二步，外圈继续下移，完成整个装配过程，并将卡扣的第二步的装配过程细分为10步。图
6所示为卡扣装配分析模型。4.4提交计算与后处理
完成前处理便可提交计算，随后进入后处理模块进行分析处
理。图7和图8所示分别为
为
2010年第2期
中国个体防护装备17
CPPE防护装备技术研究
ChinaPersonalProtectiveEquipment
Mises应力变化云图和各个节点的等效应变随时间
变化曲线图。后处理中，模拟分析的最大等效应变必须小于材料的许用应变，由此确定卡扣的最佳过盈量t；最大插入力Fi应在合适的区间内，既保证卡扣不会脱出，又便于卡扣的安装。表1所示列取不同过盈量和插入角时卡扣的分析结果。
图6
卡扣装配分析模型
图7
Mises
等效应力变化云图
由表1可知，t为0.42时，不仅满足许用应变
182010年第2期
中国个体防护装备
图8
各个节点的等效应变随时间变化曲线
表1t取不同值时的最大应力应变
t（t=y/2）值0.3
0.40.420.430.45tana
0.900.690.660.640.61F=100计算值m（mm）
0.40.60.70.70.8a（°）
36.9
33.7
31.6
31.0
39.4
模拟结果
s（Mpa）1.6312.82346.96033.8717.44e（%）0.327
0.4351.0803.5185.631
5结论
在环型卡扣装配力学分析的基础上，得到了卡扣装配的最大应变、装配力和拆卸力关系表达式，从而可以计算出卡扣的初步尺寸，作为卡扣结构设计的初步依据；通过装配过程的模拟与分析，确定了最佳过盈量和合理的装配力，提高了装配的可靠性和密封效果。
参考文献
［1］丁松涛．呼吸防护用品的应用、现状与发展前景［A］．
中国职业安全健康协会．中国职业安全健康协会首届年会论文集［C］．重庆：防化研究所，2004．50．
［2］保罗R．博登伯著，冯连勋，马秀清译．塑料卡扣连接技
术［M］．北京：化学工业出版社，2004．
［3］Snap-fitJointsforPlasticsPolymerDivision［Z］USA：
BayerCorporation，1998．
［4］陈燕．塑料卡扣设计研究及CAD应用模块开发［D］．无
锡：江南大学，2006．9-10．
［5］凌道盛，徐兴．非线性有限元及程序［M］．杭州：浙江大学
出版社，2004．
［6］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解［M］．
北京：机械工业出版社，2006．