Ansys軟件在設備密封性仿真中的應用

何新文，高馳名

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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Ansys軟件在設備密封性仿真中的應用

何新文，高馳名

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要密封性是設備重要的防護性能，針對工程中經(jīng)常出現(xiàn)的密封設計不合理導致設備密封失效、橡膠墊永久變形等問題，研究了橡膠密封原理、應力—應變關系，并利用Ansys分析橡膠墊變形，指導設備密封設計。闡述了橡膠墊片密封原理以及不同壓縮量對密封性能的影響，給出了橡膠應力—應變計算公式，簡單介紹了Ansys分析流程和常用的超彈性材料模型，以密封盒密封設計為例，說明如何應用Ansys對設備密封性能做定量計算。用Ansys對結構進行應力分析，找出蓋板的危險截面，對危險截面滲透壓進行詳細地分析，仿真計算結果表明該方案可行。

關鍵詞Ansys；橡膠密封；應力—應變關系；接觸壓力

The Application of Ansys in Sealing Performance Simulation of Equipment

HE Xin-wen,GAO Chi-ming

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractSealing is important for equipment.Improper sealing design could result in sealing fail and even permanent distortion of rubber.The rubber sealing principle,stress-strain relation and the application of Ansys in rubber distortion is researched in this paper to guide sealing design.This paper also expounds the rubber sealing principle and the influence of different compressive deformation to sealing and puts forward the calculation formula on stress-strain.The basic flow chart of Ansys and the model of hyperelastic material are briefly introduced.Taking a sealing box as an example,this paper explicates the quantitative calculating method of equipment sealing performance by Ansys.The model is analyzed by Ansys and the dangerous section is determined.The dangerous section of the rubber is analyzed in detail.Analysis results show the design is feasible.Experimental results prove the analysis method is feasible and effective.

Key wordsAnsys;rubber sealing;stress-strain relation;contact pressure

0引言

電子設備密封形式一般為靜密封，主要采用墊片密封的形式來實現(xiàn)，而墊片材質的選擇、密封溝槽的設計及墊片的安裝是墊片密封設計的關鍵[1]。密封設備，當密封墊與結構間的接觸壓力大于外部水壓時，才不會發(fā)生滲漏，傳統(tǒng)密封設計一般僅憑經(jīng)驗，沒有完整、可靠的計算方法，往往造成實際密封效果無法達到設計要求。利用Ansys軟件對設備的密封性進行仿真分析，能真實、直觀地展現(xiàn)橡膠、壓板等結構件的應力、應變，顯示各處的接觸壓力、流體滲透壓力等。在Ansys軟件仿真分析的基礎上，提出了設備密封設計仿真分析方法，驗證結構設計密封是否有效，為結構密封設計提供依據(jù)和指導。

1橡膠墊密封

密封電子設備結構一般可分為框架和蓋板(底板、面板)2部分，框架與蓋板之間常采用墊片密封。設備的密封性能主要取決于密封面形式和墊片[1]。橡膠墊片具有組織致密、質地柔軟、回復性好和價格低等特點，是密封設計中常用的墊片。

1.1橡膠墊片密封原理

橡膠墊片密封主要是通過控制橡膠墊的相對變形量(簡稱壓縮量)來達到密封的目的。如圖1所示，橡膠墊未受壓時的高度為H0，當橡膠墊受到壓力F后的高度變?yōu)镠1，其相對變形量ε為：ε=(H0-H1)/H0。

圖1　橡膠密封原理

實踐證明，當ε=10%時，橡膠墊與裝配面的縫隙小至0.01 mm，但水分子仍然能滲透，當壓力F繼續(xù)增大，相對變形量ε取值范圍在20%～30%時，由于橡膠墊的彈性及變形作用，橡膠墊緊貼裝配面，水分子無法滲透，從而形成密封。如果進一步增大壓力F，當相對變形量ε>30%后，密封質量改善不大，反而會由于疲勞破壞而加速橡膠損壞甚至破裂，影響密封效果。因此，在密封設計中，橡膠的相對變形量ε一般在20%～30%范圍內(nèi)取值為宜。設計中應當注意的是，橡膠的變形不僅與所加的壓力有關，與溫度、變形程度、受壓時間以及材料本身的邵氏硬度等多因素有關，所以其變形與應力并非直線關系[2]。

1.2橡膠墊片的應力—應變關系

橡膠為超彈體，在計算中，一般假設橡膠不可壓縮，泊松比μ≈0.5，變形前后截面積相等。橡膠的彈性模量不是固定值，即橡膠的應力與應變是非線性關系，一般通過試驗來測定應力—應變關系。而在實際計算中，可以將橡膠的彈性模量視為固定值，通過經(jīng)驗公式計算出換算彈性模量，并確定應力與應變的關系。

在實際計算中，對于單向變形一般采用巴爾涅夫-哈扎諾維奇方程來計算應力與應變關系[3-4]：

(1)

式中，σ為應力；EP為換算彈性模量；ε為應變(橡膠墊的壓縮量)。

換算彈性模量EP與理論彈性模量E的關系式為：

EP=(1+2×f×φ)×E。

(2)

式中，φ為形狀系數(shù)，φ=S支÷S側(S支、S側分別為橡膠墊的支撐面面積和側面積)；f為摩擦系數(shù)。

理論與試驗研究均表明，對于各向同性材料，彈性模量E、泊松比μ與切變模量G之間存在如下關系：

E=2×(1+μ)G=2×(1+0.5)G=3G。

(3)

根據(jù)文獻[5]，橡膠的剪切模量G與邵氏硬度HA有以下關系：

(4)

橡膠墊的材料、形狀以及安裝形式確定后，可由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)得出橡膠應力與應變的關系，進而可以在壓縮量確定后計算橡膠墊的應力。

2橡膠壓縮變形仿真分析

有限元方法是解決工程和數(shù)學物理問題的數(shù)值方法，也稱為有限單元法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式互相連接在一起的單元的組合體。有限元的實質是把具有有限個自由度的連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法。Ansys是最常用的、功能強大的有限元軟件之一。

2.1分析流程

Ansys分析過程包含前處理、加載求解和后處理3個主要步驟。

前處理的主要工作有：定義單元類型、定義單元實常數(shù)、定義材料特性、建立模型并劃分網(wǎng)格。建立幾何模型，并進行網(wǎng)格劃分，生成物理模型，對實際問題進行模擬。

加載求解的主要工作有：定義分析類型相分析選項、施加載荷和約束、指定載荷步選項和計算求解。

后處理主要工作有：從求解結果中讀取數(shù)據(jù)、對計算結果進行各種圖形化顯示、可對計算結果進行列表顯示和進行各種后續(xù)分析[6]。

2.2超彈材料模型

Ansys中關于超彈性本構模型有一些關鍵假設：材料相應的各項同性、等溫和彈性的；熱膨脹是各向同性；變形完全可恢復；材料是完全或幾乎不可壓縮的。Ansys分析中常用的超彈材料模型有Arrbda-Boyce Model、Blatz-Ko Model、Gent Model、Mooner-Rivlin模型、奧格登可壓縮泡沫模型和Ogden Potential等等[5]。

國內(nèi)外學者通過大量實驗，提出了描述這類材料應力—應變關系的本構模型?，F(xiàn)在較為成熟的本構模型有2類:一類是基于熱力學統(tǒng)計的方法，如Neo-Hookean、Kuhn-Grun、Arruda-Boyce和Gent 模型；另一類是以連續(xù)介質力學理論為基礎的方法，如Mooney-Rivlin、改進的Mooney-Rivlin、Ogden和Yeoh 模型[6]。對于橡膠的應力應變分析一般采用2階的Mooney-Rivlin模型，其表達式為：

(5)

Mooner-Rivlin模型支持當前技術單元：SOLID186、SOLID187、SOLSH190、SHELL208、SHELL209、SHELL181、SHELL182和PLANE183。

模型中的參數(shù)常量一般通過超彈材料試驗數(shù)據(jù)擬合，即采用試驗獲得有關材料在壓力下的形變規(guī)律，根據(jù)試驗的數(shù)據(jù)擬合確定模型中的參數(shù)常量。

3設計實例

一種密封盒安裝在戶外，要求結構防護等級為浸水型機殼。根據(jù)要求設計其結構，外形尺寸為長×寬×高=200 mm×110 mm×34 mm，密封形式采用墊片密封，密封面形式為平溝槽密封面。結構主要由蓋板、盒體和密封墊組成，盒體側面裝有連接器，連接器與盒體的縫隙采用O型圈密封，由連接器廠家保證連接器的密封性，因此設計時主要考慮蓋板與盒體縫隙的密封?？紤]到防腐蝕性，盒體和蓋板均采用防銹鋁，墊片采用硅橡膠板，其邵氏硬度為30。密封盒結構組成如圖2所示。

圖2　密封盒結構

3.1密封盒結構方案

密封墊采用寬度為B0=4 mm，高度為H0=3 mm的硅橡膠板，選擇壓縮量ε=30%。硅橡膠是超彈體，假設壓縮前后硅橡膠體積不變，壓縮后仍然為矩形，則壓縮后密封墊的高度為H1=2.1 mm寬度為B1=5.715 mm，則盒體上固定密封墊的溝槽尺寸為：寬度b=6 mm，高度h=2.1 mm。

考慮到密封盒的尺寸，選擇M3螺釘緊固蓋板，根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)和式(4)計算橡膠墊在壓縮量ε=30%時的應力為：σ=0.74 MPa。若橡膠墊壓縮前后體積不變，假設形狀仍為矩形，可計算變形后支撐面面積，進一步得出將橡膠墊壓縮到ε=30%時需要的壓力：F=2 659.3 N。

根據(jù)文獻[8-9]，考慮預緊力、扭轉力和安全系數(shù)等因素，計算M3螺釘能承受的最大的拉力為：F=300.94 N。則，將橡膠墊壓縮到ε=30%時需要的螺釘數(shù)量為：

n≥F÷P=2659.3÷300.94=8.84。

取n=10。螺釘布局見圖2。蓋板緊固后，密封墊的彈力會造成蓋板變形，導致變形部位密封墊的壓縮量無法達到設計的要求，這可能造成密封盒發(fā)生滲漏，因此需要對密封盒進行仿真分析，計算出蓋板變形的最大位移位置，以及變形量，并以此為最危險截面，進行危險截面應力分析，計算接觸壓力，保證其密封性。

3.2密封盒應力分析

在Ansys中建立新的分析，賦予算例中各零件材料參數(shù)。蓋板和盒體采用鋁合金材料，彈性模量為：E=70 GPa，泊松比為μ=0.33；橡膠墊采用硅橡膠板，使用Mooney模型，具體參數(shù)為：彈性模量E=6.9 GPa，泊松比為μ=0.499 5,C10=2.5 MPa,C01=1.1 MPa,D=0[10]。定義蓋板螺釘孔為固定，盒體底面向蓋板移動0.9 mm，定義所有接觸類型均為標準接觸，摩擦系數(shù)設定為0.1。

求解完成后，軟件采用云圖的方式顯示應力、位移和應變。分析結果如圖3所示。

圖3　蓋板變形云

從圖3中可以看出，蓋板的變形一般在螺釘之間，最大變形為0.035 mm，計算變形處橡膠墊的壓縮量:

壓縮尺寸為：H1=0.9-0.035=0.865 mm，

最大變形處的密封墊壓縮量最小，密封墊與結構件之間的接觸壓力也最小，因此選擇此處截面作為最危險截面，進行分析。

3.3危險截面應力分析

在Ansys中建立新的分析，建立橡膠條平面應變受壓模型，橡膠材料參數(shù)與上節(jié)相同。因為主要分析橡膠墊受壓后的變形情況、接觸壓力以及流體滲透壓，因此將其他結構件視為剛性。接觸類型為標準接觸，摩擦系數(shù)0.1。定義盒體底面為固定，蓋板向下移動量為0.865mm，橡膠墊一側施加水壓力，如果橡膠墊與結構件之間的接觸壓力大于水壓力，則不會發(fā)生滲漏；反之，橡膠墊與結構件之間的接觸壓力小于水壓力，則發(fā)生滲漏。橡膠墊與結構件之間的接觸壓力如圖4所示，水的滲透壓力如圖5所示。

圖4　橡膠墊接觸壓力云

圖5　水的滲透壓力云

由圖4和圖5可以看出，接觸壓力最大為12.3 Mpa，流體滲透壓最大為0.014 7 Mpa，接觸壓力遠遠大于流體滲透壓，密封設計有效。

4結束語

以往設備密封設計僅憑經(jīng)驗，經(jīng)常出現(xiàn)密封墊無法回彈、蓋板變形和密封墊壓縮量小等現(xiàn)象，導致結構密封失效。利用Ansys有限元仿真軟件，對橡膠墊進行分析，可以得出橡膠的應力，進而計算該壓縮量下的結構件尺寸、螺釘數(shù)量和布局等，使密封設計得到定量計算，提高結構密封的可靠性，值得在結構密封設計中推廣與應用。設計師應積極掌握并運用仿真軟件輔助結構設計，它能幫助查找結構薄弱環(huán)節(jié)，縮短產(chǎn)品的設計周期，降低試驗成本，提高產(chǎn)品質量。

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何新文女，(1973—)，工程師。主要研究方向：電子通信設備結構設計。

高馳名男，(1982—)，工程師。主要研究方向：電子通信設備結構設計。

作者簡介

中圖分類號TH122

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0075-04

收稿日期：2016-01-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.19

引用格式：何新文，高馳名.Ansys軟件在設備密封性仿真中的應用[J].無線電工程,2016,46(4):75-78.