基于ANSYS的密封方案有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)分析研究

歐礦生

（同致電子科技（廈門）有限公司，福建 廈門361006）

數(shù)碼產(chǎn)品越來越多地在人們生活中得到普及，同時(shí)還需要應(yīng)用于各種場(chǎng)景，這就對(duì)數(shù)碼產(chǎn)品的防水性能提出了更高的要求。根據(jù)我公司與客戶簽署的技術(shù)協(xié)議，某數(shù)碼產(chǎn)品防水需滿足IP67的要求，且產(chǎn)品要求拆開后蓋更換電池、SIM卡和通訊PCIE模塊卡，原有產(chǎn)品通過擰螺絲即可拆卸電池的后蓋（見圖1），密封槽分布在電池槽四周（如圖2所示），而密封則采用傳統(tǒng)截面為O型的密封圈進(jìn)行密封（如圖3所示）。

圖1 產(chǎn)品后蓋圖示

圖2 后蓋密封槽圖示

圖3 優(yōu)化前密封方案圖示

根據(jù)此方案的試生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)分析：產(chǎn)品后蓋的防水不良占整體防水不良的94.8%，因密封安裝不到位進(jìn)而導(dǎo)致防水不良占整體防水不良的85.3%，且因密封圈接觸面太小，極易造成誤判。但因客戶已接受產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)和后蓋結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)有方案中，擰螺絲拆卸電池方案和密封槽分布在電池槽四周的方案不能做大的修改，故將對(duì)產(chǎn)品的密封方案（即優(yōu)化密封圈截面和密封槽結(jié)構(gòu)）通過ANSYS有限元分析優(yōu)化驗(yàn)證后提供最優(yōu)的方案用于產(chǎn)品量產(chǎn)。

1 計(jì)算及物理模型的建立

1.1 密封圈模型設(shè)定

密封圈將采用橡膠材料，故將做如下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）密封圈材料具有確定的彈性模量E和泊松比μ；

（2）密封圈材料壓縮與拉伸的蠕變性質(zhì)一致；

（3）密封圈受到的縱向壓縮為由約束邊界的指定位移引起的；

（4）蠕變不引起體積變化。

因本文所提及密封圈拉壓變形不超過25%、純剪切變形不超過75%滿足橡膠小變形的應(yīng)用場(chǎng)景，故將采用Mooney-Rivlin模型來描述，其簡(jiǎn)化版應(yīng)變函數(shù)為：

式中，W為應(yīng)變能密度；C1、C2為材料Mooney-Rivlin常數(shù)；I1、I2為第一、第二應(yīng)變張量不變量。

其中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：

根據(jù)Mooney-Rivlin模型的定義和要求，橡膠力學(xué)特性常數(shù)C1、C2由試驗(yàn)確定，但實(shí)際應(yīng)用性價(jià)比不高，且對(duì)于不可壓縮性、各向同性的橡膠材料，在小應(yīng)變時(shí)，彈性模量E0、剪切模量G、材料常數(shù)和硬度有如下關(guān)系（根據(jù)假定，μ =0.5（0.4999））：

依據(jù)橡膠硬度HS與彈性模量E0的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到兩者之間的關(guān)系式：

即可以得到如下關(guān)系：

又根據(jù)文獻(xiàn)資料得知C2/C1與硬度的近似曲線如圖4所示。

圖4 C2/C1與HS的關(guān)系擬合曲線

正如表1所列，本文中模擬使用的參數(shù)，邵氏硬度 45°、50°和 60°的模擬參數(shù)由供應(yīng)商推薦取得，邵氏硬度40°和55°的模擬參數(shù)則通過上式（6）與擬合曲線關(guān)系近似取得，取得的參數(shù)將代入ANSYS的Mooney-Rivlin模型進(jìn)行仿真對(duì)比。

表1 密封圈材料模型參數(shù)表

1.2 密封圈與密封槽接觸問題描述

數(shù)學(xué)模型上施加無穿透接觸約束的方法有：拉格朗日乘子法、罰單元法及直接約束法。本文將采用直接約束法來求解密封圈與密封槽之間的接觸問題。

1.3 密封失效判定

為了保證密封是有效的，需要保證密封圈在使用時(shí)不會(huì)被剪切力破壞（即壓縮造成破裂），同時(shí)，保證密封圈的最大接觸壓力大于等于密封圈所受到的最大接觸壓應(yīng)力。可以通過以下步驟對(duì)密封失效進(jìn)行判定：

第一步，驗(yàn)證剪切應(yīng)力極值，即工作應(yīng)力小于密封材料的許用抗剪強(qiáng)度[2]。

式中，σxy是密封截面所受的應(yīng)力，[τb]是材料的許用抗剪應(yīng)力。

第二步，驗(yàn)證是否可靠密封，即必須滿足密封圈與密封槽蓋連續(xù)界面上的最大接觸應(yīng)力大于等于密封圈所受到的壓力，即[2]

式中，σmax為最大接觸應(yīng)力，Ph為密封圈所受的壓力。

1.4 有限元優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

接觸應(yīng)力與密封圈的形狀、接觸面積、壓縮量及內(nèi)壓力有關(guān)[3]，即

式中，σ0為接觸應(yīng)力，E為楊氏模量，ε0為壓縮量。

故在材料和形狀選定的情況下，優(yōu)化過程即是求壓縮量和硬度的最佳組合，即

式中，E為楊氏模量，ε0為壓縮量，HS為材料的邵氏硬度，Ph為密封圈所受的壓力。

2 ANSYS有限元具體優(yōu)化

綜合以上模型分析，ANSYS將使密封圈在一定載荷下圍繞硬度、壓縮量、楊氏模量等參數(shù)進(jìn)行，并通過ANSYS計(jì)算得出相關(guān)方案最大接觸壓應(yīng)力及接觸力列表，并綜合考慮生產(chǎn)線安裝、使用安全系數(shù)和體驗(yàn)，最終得到可行的優(yōu)化方案并實(shí)施。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

考慮到原方案生產(chǎn)線安裝是造成防水不良的主要原因（百分比超過85%），故將采用矩形截面的密封圈作為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向，相應(yīng)地調(diào)整密封槽的結(jié)構(gòu)，細(xì)部示意如圖5所示。

圖5 優(yōu)化密封方案結(jié)構(gòu)圖示

2.2 有限元幾何模型建立

基于上述結(jié)構(gòu)方案，為了便于有限元分析結(jié)論的采用，將模型簡(jiǎn)化成二維模型進(jìn)行分析，密封槽和產(chǎn)品后蓋將采用默認(rèn)的網(wǎng)格劃分，密封圈則采用細(xì)化的網(wǎng)格劃分，密封圈的有限元網(wǎng)格設(shè)定982個(gè)節(jié)點(diǎn)，279個(gè)網(wǎng)格，如圖6所示。

圖6 ANSYS網(wǎng)格劃分圖示

2.3 有限元分析的環(huán)境載荷

根據(jù) GB 4208-2008/IEC60529：2001對(duì) IP67防水等級(jí)的定義，密封圈工作的極限壓強(qiáng)（使用環(huán)境）為Ph=9.8×10-3MPa，這將作為模擬仿真的外部極限載荷進(jìn)行加載。

2.4 ANSYS計(jì)算過程

通過加載極限環(huán)境載荷，根據(jù)實(shí)際使用和生產(chǎn)線裝配經(jīng)驗(yàn)，選定密封圈硬度（邵氏硬度在40-60°之間），并設(shè)定可能的壓縮量，進(jìn)行ANSYS仿真，可得圖7所示結(jié)果。

圖7 ANSYS計(jì)算分析圖示

通過模型調(diào)整硬度和壓縮量并重復(fù)上述操作，摘錄ANSYS計(jì)算所得密封面壓縮量、最大接觸壓力和接觸力數(shù)據(jù)列出如表2所示。

表2 密封圈ANSYS計(jì)算數(shù)據(jù)列表

2.5 ANSYS仿真方案選定

根據(jù)表2所列計(jì)算結(jié)果，根據(jù)如下約束條件進(jìn)行篩選。

（1）根據(jù)密封面安全系數(shù)及壓縮最大壓力進(jìn)行篩選

考慮到橡膠產(chǎn)品的注塑缺陷和密封圈的安裝情況，設(shè)定密封面安全系數(shù)為10，則壓縮最大壓力需滿足0.1 MPa以上。

（2）根據(jù)密封面最大接觸力進(jìn)行篩選

因產(chǎn)品使用場(chǎng)景有需要使用非專業(yè)工具野外進(jìn)行操作，為了確保產(chǎn)品的使用體驗(yàn)，接觸力大于110 N將暫不納入備選方案進(jìn)行驗(yàn)證。

考慮到硬度45°和50°的ANSYS分析結(jié)果，其壓縮面的壓縮公差范圍均可設(shè)定為0.15-0.4 mm之間，即有較大的使用容錯(cuò)范圍，故將選定45°和50°的密封圈來進(jìn)一步驗(yàn)證使用效果。

3 驗(yàn)證結(jié)論

根據(jù)ANSYS的計(jì)算出的應(yīng)力（參考表2所示），選定方案的壓縮剪切應(yīng)力極值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于密封材料的許用抗剪強(qiáng)度，且同時(shí)滿足密封圈與密封槽蓋連續(xù)界面上的最大接觸應(yīng)力大于等于密封圈所受到的壓力，故選定方案理論上是可行的。

根據(jù)ANSYS分析結(jié)果（參考表2所列結(jié)果），采用了硬度45°和50°兩種矩形密封圈進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)、小批量試生產(chǎn)。最終45°和50°的矩形密封圈均顯著提升了產(chǎn)品的防水良率，但45°密封圈更好安裝，整體不良率也更低（試生產(chǎn)不良率約5%），故將采用45°矩形密封圈依照DFM（面向生產(chǎn)設(shè)計(jì)）要求優(yōu)化后投入量產(chǎn)（最終如圖8所示）。

圖8 優(yōu)化后產(chǎn)品實(shí)物圖示

4 結(jié)束語

為解決實(shí)際生產(chǎn)問題，本文從問題著手，通過矩形密封非線性密封方案的Mooney-Rivlin模型分析、ANSYS仿真，并結(jié)合實(shí)際情況篩選出可行的方案，最終優(yōu)選出可行方案通過DFM優(yōu)化后形成具體對(duì)策后批量驗(yàn)證并投入量產(chǎn)。量產(chǎn)后持續(xù)追蹤生產(chǎn)線一個(gè)月量產(chǎn)情況，后蓋矩形密封圈的防水不良均可控制在3%以內(nèi)，且通過檢測(cè)可100%防止不良外流，故此次優(yōu)化有效。