基于ANSYS Workbench的O型密封圈接觸分析

李修宇，張傳俊

(安徽工商職業(yè)學(xué)院，合肥 230022)

0 引言

由于O型密封圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的液壓密封和氣動(dòng)密封中[1-2]。除上述特點(diǎn)外，O型密封圈還具有良好的密封性，既可用于靜態(tài)密封，也可用于動(dòng)態(tài)密封，既能單獨(dú)使用，也可以采用組合式配合擋圈密封，而且工作壓力可在0.1～400 MPa，溫度范圍可在-60 ℃～200 ℃，范圍較廣。O型密封圈的密封性能依靠系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)雙向作用密封，并隨系統(tǒng)壓力的提高而增大。密封性能直接決定其能否正常工作，因此，需要對(duì)其進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[3]提出一種有限元分析模型，對(duì)O形圈密封結(jié)構(gòu)在不同油壓和壓縮率作用下的應(yīng)力分布及接觸壓力分布進(jìn)行具體分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)O形圈密封結(jié)構(gòu)的適用條件進(jìn)行總結(jié)，得出的結(jié)果為密封圈的安裝提供了一定的指導(dǎo)。但是該方法在分析過程中引入了比較多的參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行擬合具有一定的難度，因此，該方法的應(yīng)用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了一個(gè)帶副唇的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封接觸分析模型，運(yùn)用該模型對(duì)密封圈裝配后的不同壓縮量與旋轉(zhuǎn)軸的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，得出旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈裝配后的壓縮量應(yīng)該保證在0.7 mm以上的結(jié)論。雖然該方法得出了較為準(zhǔn)確的結(jié)論，但是該模型應(yīng)用范圍有限，不適合大范圍使用。

為了對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行完善，基于ANSYS Workbench平臺(tái)，對(duì)O型圈密封接觸進(jìn)行分析。

1 O型圈有限元模型的建立

選用的O型密封圈型號(hào)為乙烯—丙烯橡膠，橡膠材料是超彈性材料，具有非線性特征，ANSYS Workbench平臺(tái)中有很多橡膠參數(shù)模型，采用Neo-Hookean超彈本構(gòu)模型，其應(yīng)變能函數(shù)可以表示為

(1)

式中：W為應(yīng)變能；λ為橡膠伸長(zhǎng)率；J為變形后體積與變形前的體積比值；μ為材料的應(yīng)力量綱，為常數(shù)，μ=ρkT，其中ρ為密度，k為Boltzmann常數(shù)，T為溫度；I1為Cauchy-Green變形張量的第一不變量。材料的屬性[5-6]見表1所示。

表1 材料屬性

由表1得出橡膠單元的Initial Shear Modulus Mu為1.3 MPa，Incompressibility Parameter D1為1.52 MPa-1。

分析模型由活塞、缸體和密封圈組成，由于模型是圓周對(duì)稱的，可以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將三維模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱。橡膠在壓縮過程中將產(chǎn)生大變形，為讓結(jié)果更快收斂，活塞和缸體采用高階單元，O型圈采用低階單元并采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，模型共包括2 924個(gè)節(jié)點(diǎn)，961個(gè)單元。劃分網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 二維模型網(wǎng)格圖

在Workbench中采用接觸單元模擬接觸問題，建立活塞、缸體和O型密封圈之間的接觸關(guān)系，活塞與缸體的接觸形式采用無摩擦接觸；材料的剛度相近，采用對(duì)稱接觸；接觸算法用拉格朗日法，并用高斯點(diǎn)的探測(cè)方式，強(qiáng)制更新剛度?；钊cO型密封圈、缸體與O型密封圈采用相同的接觸關(guān)系，采用摩擦接觸，非對(duì)稱接觸，法向接觸剛度取3，并且每一步計(jì)算都要進(jìn)行剛度更新。

分析計(jì)算設(shè)置20個(gè)載荷步，約束缸體底邊軸，釋放X軸約束；約束活塞頂邊向Y軸負(fù)方向20 mm，給活塞一個(gè)向下的位移，模擬O型密封圈在不同的壓縮率下，其密封狀態(tài)和失效形式。O型密封圈壓縮率α的計(jì)算公式為：

(2)

式中：d為O型密封圈壓縮前的直徑；h為O型密封圈壓縮后的直徑。

2 仿真結(jié)果與分析

目前對(duì)于密封圈仿真結(jié)果評(píng)價(jià)的方式較為統(tǒng)一，采用等效應(yīng)力評(píng)價(jià)O型密封圈的疲勞和破損失效，采用接觸壓力評(píng)價(jià)O型密封圈密封性能，即最大接觸壓力大于工作壓力。圖2為O型圈壓縮率為20%時(shí)的等效應(yīng)力云圖。圖3為接觸壓力隨載荷步的變化曲線。

圖2 等效應(yīng)力云圖

圖3 接觸壓力曲線

由圖2的云圖可以看出O型密封圈的應(yīng)力分布是對(duì)稱的，活塞和缸體接觸的X向應(yīng)力較大，最大應(yīng)力發(fā)生的位置是活塞溝槽側(cè)壁，若溝槽的表面粗糙度較差，會(huì)引起O型密封圈的疲勞和破損。由圖3可以看出在活塞壓縮缸體的過程中，最大的接觸壓力為123.92 N，能夠滿足密封條件。

利用ANSYS Workbench平臺(tái)分析O型密封圈在不同壓縮率情況下的等效應(yīng)力分布和接觸壓力。分別計(jì)算壓縮率在10%、15%、20%、25%和30%情況下的規(guī)律曲線，得出圖4～5等效應(yīng)力和接觸壓力隨壓縮率的增加呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì)。

圖4 等效應(yīng)力與壓縮率關(guān)系

圖5 接觸壓力與壓縮率關(guān)系

3 結(jié)語

為了分析O型密封圈的接觸變形情況，根據(jù)實(shí)際工作情況建立了二維軸對(duì)稱非線性模型，根據(jù)模擬工作過程情況得出了O形密封圈的等效應(yīng)力云圖和接觸壓力分布，并繪制出等效應(yīng)力和接觸壓力隨壓縮率的變化曲線。得出O形密封圈壓縮率也會(huì)隨著等效應(yīng)力的變化而產(chǎn)生變化，同時(shí)，壓縮率會(huì)隨著接觸壓力的加大而提升，在活塞壓縮缸體的過程中，O形密封圈的最大接觸壓力為123.92 N，能夠滿足密封條件，說明所提方法能夠?qū)型密封圈接觸壓力進(jìn)行準(zhǔn)確分析，可以為選用O形密封圈提供參考。