波形密封圈設(shè)計(jì)及密封性能分析

杜艷平 袁琦

【摘? 要】本文主要闡述波形密封圈的設(shè)計(jì)思路。基于大型商用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)點(diǎn)火線圈連接器波形密封圈的密封性能進(jìn)行仿真，分析密封圈密封面處的接觸壓力、Mises應(yīng)力與保持力。仿真計(jì)算結(jié)果證明該密封圈滿足密封性、強(qiáng)度與防脫性設(shè)計(jì)要求，通過實(shí)驗(yàn)也可驗(yàn)證有限元分析的正確性，為無實(shí)物密封件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供解決辦法。

【關(guān)鍵詞】連接器；波形密封圈；接觸壓力；Mises應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U463.64? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）04-0047-03

【Abstract】This paper describes the design thought of corrugated seal ring.The sealing performance of the ignition coil connector was simulated based on the commercial finite element analysis software ABAQUS.And the contact pressure at the sealing surface，Mises stress and holding power were analyzed. The simulation results show that the sealing ring meets the design requirements of sealing，strength and anti-stripping. The correctness of the finite element analysis is also verified by the experiment，which provides a solution for the design verification of the no physical seal.

【Key words】connector；corrugated sealing ring；contact pressure；Mises stress

點(diǎn)火線圈連接器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，其工作環(huán)境惡劣，要求密封等級(jí)S2，因此密封圈在不同溫度下滿足強(qiáng)度要求和具有良好的密封性是保證連接器長(zhǎng)期正常工作的必要條件。該密封圈使用的材料為MQ（硅橡膠），其特點(diǎn)是使用溫度范圍廣，特別是在高溫環(huán)境下，硅橡膠仍能保持一定的延展性、柔韌性，且力學(xué)性能沒有明顯的變化，非常契合該連接系統(tǒng)的使用環(huán)境。密封圈設(shè)計(jì)是否合理從以下3個(gè)方面判斷：一是密封面上的最大接觸壓力應(yīng)大于內(nèi)部介質(zhì)壓力，這是實(shí)現(xiàn)密封的前提；二是密封圈在安裝壓縮狀態(tài)下的等效應(yīng)力不得大于橡膠材料的許用應(yīng)力，保證密封圈不發(fā)生破損與龜裂；三是密封圈在護(hù)套上有一定的保持力，使其不易脫落。

1? 設(shè)計(jì)

波形密封圈的設(shè)計(jì)需要考慮護(hù)套尺寸、原材料、徑向壓縮率、填充率、預(yù)變性、拉伸伸長(zhǎng)率等因素，護(hù)套與密封圈示意如圖1所示。壓縮率可由公式（1）表示。壓縮率是影響密封性的重要因素，壓縮量過小會(huì)產(chǎn)生泄漏，壓縮量過大會(huì)引起密封件的撕裂。填充率是密封圈的體積與密封槽體積之比，可由公式（2）表示。填充率過大，會(huì)導(dǎo)致插拔力偏大，加劇永久變形；填充率過小會(huì)導(dǎo)致密封圈隨著振動(dòng)而來回移動(dòng)，會(huì)加速磨損，降低使用壽命。當(dāng)密封圈預(yù)裝到護(hù)套上時(shí)，為了防止其脫落，需要一定的拉伸伸長(zhǎng)率，但拉伸伸長(zhǎng)率不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致不易裝配，甚至出現(xiàn)泄漏。拉伸伸長(zhǎng)率可由公式（3）表示。

2? 有限元分析

密封件的密封行為是極為復(fù)雜的非線性行為（包括幾何非線性、接觸非線性和材料非線性），其接觸壓力及應(yīng)力計(jì)算十分困難，有限元分析使密封圈的接觸壓力、應(yīng)力與脫落力的計(jì)算成為可能。針對(duì)密封件密封性能問題，武漢科技大學(xué)的蔣國(guó)璋、陳少華、謝良喜、李公法通過有限元分析軟件，分析并計(jì)算了旋轉(zhuǎn)軸直徑、O形圈截面直徑、O形圈內(nèi)圓周壓縮率等結(jié)構(gòu)參數(shù)，也對(duì)密封面最大接觸壓力和范·米塞斯應(yīng)力的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析[1]；廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院的郝偉通過有限元分析對(duì)密封墊密封面處的接觸壓力、Von Mises應(yīng)力與脫落力進(jìn)行計(jì)算[2]；重慶理工大學(xué)汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的馬洋洋、雷剛、胡強(qiáng)松和劉奔奇對(duì)不同溫度下的密封膠條進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算分析，得到橡膠密封膠條在不同溫度下的Von Mises應(yīng)力、壓縮率、接觸應(yīng)力和接觸寬度[3]。本文通過單軸拉伸、平面拉伸和雙軸拉伸試驗(yàn)擬合出橡膠材料的Mooney-Rivlin模型，采用ABAQUS軟件建立密封圈的有限元模型，研究了連接器對(duì)配前后密封圈接觸面接觸壓力、Mises應(yīng)力及保持力。

2.1? 本構(gòu)模型

仿真模擬前提/假設(shè)：①橡膠材料不可壓縮且為各向同性；②剪切變形服從胡克定律，在反向拉鎖或壓縮疊加剪切也遵循胡克定律。

目前用有限元方法分析橡膠變形及應(yīng)力時(shí)，其材料模型一般是Mooney-Rivlin模型或Yeoh模型，其中前者適用于應(yīng)變小于100％（拉伸）和30％（壓縮）的中小變形分析，而Yeoh模型適用于大變形分析[4]，在連接系統(tǒng)中，密封墊和密封圈的變形都很小，因此采用Mooney-Rivlin模型。其簡(jiǎn)化函數(shù)表達(dá)式為：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3）（4）

式中：W——應(yīng)變能密度；I1和I2——分別為第一、第二應(yīng)變張量不變量；C10和C01——分別為模型材料系數(shù)。

2.2? 有限元模型建立

在建立有限元模型時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)。

1）3D模型：由于密封圈的結(jié)構(gòu)和受力都是對(duì)稱的，因此本分析采用1/4模型進(jìn)行分析，從而節(jié)約計(jì)算成本，提高分析效率。

2）材料屬性：將橡膠材料的單軸拉伸試驗(yàn)、雙軸拉伸曲線及平面拉伸試驗(yàn)的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入ABAQUS中得出：C10=0.1065、C01=0.0922。

3）網(wǎng)格劃分：對(duì)于不可壓縮的超彈性材料應(yīng)該使用六面體一階雜交單元C3D8H。

2.3? 有限元分析結(jié)果

在連接器未對(duì)配前，密封圈的彈性應(yīng)變?cè)茍D如圖2所示，此時(shí)的應(yīng)變達(dá)到42.62％；密封圈的接觸應(yīng)力云圖如圖3所示，密封圈內(nèi)圈筋上中間部分接觸應(yīng)力為0，此時(shí)尚不具備密封作用；密封圈的Mises應(yīng)力云圖如圖4所示，此時(shí)的最大應(yīng)力0.586MPa，小于材料的單軸拉伸強(qiáng)度1.057MPa；密封圈的狀態(tài)如圖5所示，密封圈內(nèi)筋有少許變形；圖6為密封圈的初始位置，而圖7為密封圈保持力1.01N時(shí)的位置，相較于其初始位置下邊位置不變，僅上邊位置有變形發(fā)生，可判定為保持力在1.01N時(shí)，其位置不變，即未配合的連接器密封件保持力合格。

在連接器對(duì)配后，密封圈的彈性應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示，最大應(yīng)變達(dá)到75.12％；密封圈的接觸應(yīng)力云圖如圖9所示，密封圈內(nèi)圈和外圈筋上均有接觸應(yīng)力，且接觸應(yīng)力大于0.048MPa的試驗(yàn)壓強(qiáng)，滿足密封性能要求；密封圈的Mises應(yīng)力云圖如圖10所示，最大應(yīng)力1.053MPa小于其單軸拉伸的拉伸強(qiáng)度1.057MPa，不會(huì)發(fā)生撕裂等破壞；密封圈的狀態(tài)如圖11所示，連接器配合后，密封圈內(nèi)筋幾乎被壓平，外筋也由原來的圓弧被壓成平面，內(nèi)外圈的接觸面積增大，保證了密封圈的密封效果。

3? 試驗(yàn)

按照汽車電線束和電氣設(shè)備用連接器第1部分定義、試驗(yàn)方法和一般性能要求[5]中的密封性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)（圖12），調(diào)整壓力使之能提供48kPa的壓力，當(dāng)達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)，觀察樣品至少15s，無氣泡產(chǎn)生；調(diào)整壓力，使之能提供-48kPa的壓力，達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)，觀察樣品至少15s，無氣泡產(chǎn)生。

4? 結(jié)論

以某發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈連接器密封圈為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了密封圈的密封性的分析過程，表明密封圈滿足橡膠材料使用要求與產(chǎn)品的密封要求。有限元仿真計(jì)算可在無實(shí)物的情況下進(jìn)行驗(yàn)證，可大大減少密封件的開發(fā)中樣件試制與試驗(yàn)次數(shù)，降低開發(fā)成本并縮短研發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣國(guó)璋，陳少華，謝良喜，等. O形旋轉(zhuǎn)密封圈的密封性能有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（6）：178-181.

[2] 郝偉. 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈密封墊密封性試驗(yàn)與計(jì)算研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2015（10）：133-137.

[3] 馬洋洋，雷剛，胡強(qiáng)松，等. 基于ABAQUS的變截面橡膠密封條熱應(yīng)力與密封性分析[J]. 潤(rùn)滑與密封，2019，44（11）：112-116.

[4] 黃建龍，解廣娟，劉正偉. 基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超彈性橡膠材料有限元分析[J]. 橡膠工業(yè)，2008，55（8）：467-471.

[5] QC/T 1067，汽車電線束和電氣設(shè)備用連接器第1部分定義、試驗(yàn)方法和一般性能要求[S].

（編輯? 凌? 波）