基于APDL語言的O形密封圈應(yīng)力分析

肖 超，邵 騰，楊護紅

（山西航天清華裝備有限責任公司 技術(shù)中心，山西 長治 046000）

0 引言

O 形密封圈由于其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、生產(chǎn)成本低廉、密封性能良好、摩擦阻力小等特點被廣泛使用在端面及其零件內(nèi)外徑結(jié)構(gòu)切合面，如活塞缸[1]。諸多學(xué)者對密封結(jié)構(gòu)、密封槽寬度、壓縮量等不同工況條件下的密封圈密封性能進行了研究[2-5]。

分析發(fā)現(xiàn)，目前的研究多數(shù)側(cè)重于對O 形密封圈密封性的有限元分析以及不同溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同油液壓力作用對密封圈變形和受力情況的影響[5]。而在方案設(shè)計初期，如何快速獲得不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下O 形密封圈的密封特性并進行方案擇優(yōu)則成為難點。

為此，本文基于ADPL 語言，建立O 形密封圈有限元模型，并對其在預(yù)壓縮及油液壓力綜合作用的情況下進行密封性仿真分析，得到O 形密封圈變形情況、力學(xué)性能和密封性能。通過與文獻1 的仿真結(jié)果進行對比分析，驗證了該方法的可行性，對類似的密封仿真研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 基于APDL 語言的參數(shù)化建模流程

參數(shù)化設(shè)計語言APDL（Parametric Design Language）使設(shè)計人員對O 形密封圈選型、密封槽結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)壓縮率及油液壓力參數(shù)的選取具有絕對控制權(quán)，通過修改相關(guān)參數(shù)，可以快速得到不同尺寸系列的O 形密封圈密封性能，具體分析步驟如圖1 所示。

圖1 基于APDL 的參數(shù)化建模流程

2 O 形密封圈參數(shù)化建模

2.1 幾何結(jié)構(gòu)

O 形密封圈直徑為7mm，密封槽尺寸為9.7 mm×5.72 mm，詳細尺寸參數(shù)見圖2。

圖2 O 形密封圈結(jié)構(gòu)示意圖

建立幾何模型時，對O 形密封圈、活塞和活塞桿進行如下假設(shè)：活塞和活塞桿視為剛體，只考慮O 形密封圈的變形。

用APDL 表達為：

2.2 材料參數(shù)

O 形密封圈選擇丁腈橡膠，其彈性模量為14.04MPa，泊松比為0.499，此外，選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠的力學(xué)性能[1]，兩個參數(shù)值C10 和C01分別取1.87MPa、0.47MPa。

用APDL 表達為：

2.3 劃分網(wǎng)格

采用TARGE169 單元和CONTA171 單元模擬O形密封圈與活塞、活塞桿的接觸對，采用PLANE182單元劃分O 形密封圈的網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.3mm 并細化接觸對之間的網(wǎng)格，其模型見圖3。

圖3 有限元模型示意圖

用APDL 表達為：

2.4 載荷及邊界條件

整個仿真分兩步進行，第1 步為預(yù)壓縮，第2 步為施加油液壓力。

第1 步：采用相對位移法對O 形密封圈施加預(yù)壓縮率為10%的預(yù)緊力，即約束活塞桿Y 向位移，X向位移0.7mm（模擬O 形圈初始壓縮量），約束活塞X 向與Y 向位移，見圖4。

圖4 O 形密封圈施加第1 步約束的示意圖

第2 步：對O 形密封圈一側(cè)施加油液壓力3MPa，用以模擬密封作用過程，見圖5。

圖5 O 形密封圈施加第2 步約束的示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 計算仿真結(jié)果

當初始壓縮量為10%時（無油液壓力作用），O形密封圈最大等效應(yīng)力為2.099MPa（見圖6）。

圖6 預(yù)壓縮情況下O 形密封圈等效應(yīng)力云圖

圖7 為密封圈的接觸壓力云圖，O 形圈與活塞桿密封面的最大接觸壓力為3.12MPa。

圖7 預(yù)壓縮情況下O 形密封圈接觸壓力云圖

當初始壓縮量為10%且O 形密封圈一側(cè)作用有3MPa 油液壓力時，密封圈最大等效應(yīng)力為3.50MPa，見圖8。

圖8 預(yù)壓縮+油液壓力時O 形密封圈等效應(yīng)力云圖

圖9 為密封圈的接觸壓力云圖，O 形圈與活塞桿密封面的最大接觸壓力為6.30MPa。

圖9 預(yù)壓縮+油液壓力時O 形密封圈接觸壓力云圖

3.2 仿真結(jié)果驗證

將O 形密封圈等效應(yīng)力、接觸壓力結(jié)果與文獻1 中的結(jié)果（見圖10）對比分析可知，基于APDL 語言得到的虛擬樣機仿真結(jié)果誤差在工程允許范圍內(nèi)，證明了該方法求解結(jié)果的正確性。

圖10 文獻1 中O 形密封圈等效應(yīng)力云圖

3.3 不同預(yù)壓縮率對密封特性的影響

通過修改預(yù)壓縮率參數(shù)，可以快速獲得不同預(yù)壓縮率情況下的O 形密封圈Von Mises 應(yīng)力仿真結(jié)果，見圖11～圖13。從圖中可以看出：隨著預(yù)壓縮率的增加，O 形密封圈Von Mises 應(yīng)力也逐漸增加。

圖11 壓縮率為10% 時O 形密封圈等效應(yīng)力云圖

圖12 壓縮率為15% 時O 形密封圈等效應(yīng)力云圖

圖13 壓縮率為20% 時O 形密封圈等效應(yīng)力云圖

3.4 系列O 形密封圈求解

修改第2 節(jié)中的O 形密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)，可以快速獲得不同結(jié)構(gòu)尺寸、不同材料參數(shù)情況下的O 形密封圈仿真結(jié)果，這里不再一一嘗試。

4 結(jié)語

本文基于APDL語言建立了O 形密封圈的參數(shù)化模型并對其在預(yù)壓縮及油液壓力綜合作用的情況下進行密封性仿真分析，通過與理論結(jié)果的對比分析，證明了該方法的正確性，為用戶直觀、快速地獲得O 形密封圈密封效果提供了一種新思路。