基于ANSYS的橡膠O型密封圈仿真分析

劉俊

（中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽，441003）

基于ANSYS的橡膠O型密封圈仿真分析

劉俊

（中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽，441003）

基于有限元分析軟件ANSYS，對BS 312橡膠O型橡膠圈進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析。通過靜力和交變位移加載方式，分別得出了O型橡膠圈的剛度—形變曲線和滯回曲線。仿真結(jié)果證明：該型號的O型橡膠圈具有較好的抗震能力和耗能能力。仿真算法及數(shù)值分析為確定密封圈性能提供了參考。

橡膠O型密封圈；接觸分析；有限元；滯回性能

引言

O型密封圈是一種常用的密封元器件，具有制造簡單、使用方便、成本低廉等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械和宇航領(lǐng)域。由于橡膠材料具有超彈性能[1]，當(dāng)受到較大外載時，表現(xiàn)出高度非線性的特性，往往使得密封圈的精確仿真求解十分困難[2]。本文主要研究了適合于O型橡膠圈的接觸仿真方法，通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動力學(xué)仿真計算，給出了材料的剛度—變形曲線和滯回曲線。

1 計算模型

1.1 物理模型

選用的O型橡膠密封圈型號為BS 312，材料為丁腈橡膠，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

橡膠單元采用Neo-Hookean超彈本構(gòu)模型，由表1計算得出材料的剪切模量為3 120 005.369 Pa, 不可壓縮參數(shù)為1.29×10-8Pa-1。鑒于O型圈模型的圓周對稱性，ANSYS計算模型簡化為二維，邊界條件設(shè)為底部固定。由于壓縮過程中材料將經(jīng)歷大變形，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到收斂性，故本模型應(yīng)用了四邊形網(wǎng)格，并對網(wǎng)格歪斜度、長寬比、平滑度進(jìn)行了調(diào)整，上下兩個鋼板采用整體單一網(wǎng)格模擬。劃分網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 二維計算模型網(wǎng)格圖

1.2 數(shù)值模型

從物理意義上講，兩接觸體之間不會相互滲透。在ANSYS有限元分析中采用接觸單元模擬接觸問題，以建立兩平面間的相互關(guān)系。接觸單元狀態(tài)根據(jù)下式進(jìn)行判定：

當(dāng)I≥0時，接觸單元處于結(jié)合并粘著的狀態(tài)；反之，接觸單元處于結(jié)合但可滑動的狀態(tài)；當(dāng)接觸點(diǎn)分離時，接觸點(diǎn)沒有接觸，也就沒有剛度矩陣和載荷向量。

最常用的非線性實體表面接觸的強(qiáng)制協(xié)調(diào)性公式有拉格朗日法、罰函數(shù)法以及增強(qiáng)拉格朗日法[3]。拉格朗日法不允許接觸面有任何穿透，此方法并非采取接觸剛度和穿透關(guān)系，而是將接觸狀態(tài)處理為自由度，即標(biāo)記為0或1；罰函數(shù)法采用接觸剛度概念，引入剛度乘數(shù)，在接觸面間模擬彈簧，允許接觸面有少量穿透；增強(qiáng)型拉格朗日法增加了額外的自由度來滿足協(xié)調(diào)性，接觸壓力作為額外的自由度直接求解。本文采用拉格朗日法，接觸探測方式為Nodal-projection。

2 仿真結(jié)果

2.1 靜力加載結(jié)果

總變形量和等效應(yīng)力圖如圖2所示。

圖2 靜力仿真結(jié)果

穩(wěn)態(tài)力加載后，可得到剛度變形情況，并進(jìn)而得出密封圈剛度—變形量關(guān)系曲線，如圖3所示。

2.2 動力加載結(jié)果

圖3 剛度—變形量曲線

對模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，并考慮材料的阻尼特性。在ANSYS中，大部分動態(tài)阻尼分析被處理為粘滯阻尼[4]，

其中，[C]為阻尼常數(shù)，根據(jù)Reyleigh阻尼定義，[C]= α[M]+ β[K]。O型密封圈的橡膠阻尼屬于β型阻尼，根據(jù)表1計算出阻尼率為0.07，剛度阻尼常數(shù)為0.008 9。對模型輸入壓縮量為0.266 5 mm，交變位移函數(shù)為0.025sin(0.25×2π×t)的激勵后，位移響應(yīng)和載荷響應(yīng)如圖4和5所示。可以看出，在0.180 82 s之前系統(tǒng)處于瞬態(tài)響應(yīng)，之后趨于為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)部分的滯回曲線如圖6所示。

圖4 位移響應(yīng)

圖5 載荷響應(yīng)

圖6 滯回曲線

滯回曲線是檢驗超彈材料能量耗散能力的一項評價標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)變響應(yīng)滯后于應(yīng)力響應(yīng)，曲線的下半圓周表示加載過程，上半圓周表示卸載過程，曲線所包圍的部分表示當(dāng)材料恢復(fù)原來形狀時的能量耗散量[5]。

3 結(jié)論

本文仿真應(yīng)用了拉格朗日方程作為接觸分析方法，得出了該型密封圈在靜載下的剛度—變形曲線，并通過瞬態(tài)分析得出了該材料在0.266 5 mm壓縮量，0.025sin(0.25×2π×t)交變位移激勵下的力學(xué)響應(yīng)和滯回曲線。從仿真結(jié)果可得出該O型密封圈的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動力學(xué)性能。

[1]胡琦. 液壓伺服作動器O形密封圈實驗研究與有限元分析[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[2]王偉, 趙樹高. 橡膠O形密封圈的非線性有限元分析[J]. 潤滑與密封, 2005(4): 106-107, 110.

[3]ANSYS Mechanical Structural Nonlinearities, Lecture 3 Introduction to Contact, ANSYS Customer Training Material [Z].

[4]Cai C, Zheng H, Khan M S, et al. Modeling of Material Damping Properties in ANSYS [C]. CADFEM Users’ Meeting & ANSYS Conference, 2002.

[5]Nashif A D, Jones D I, Henderson J P, et al. Vibration damping [M]. John Wiley & Sons, 1985.

Simulation Analysis on O-type Rubber Sealing Ring Using ANSYS

LIU Jun
(AVIC Aerospace Life-support Industries, Ltd., Xiangyang, Hubei,441003, China)

Static and transient simulation analyses are performed for O-type rubber sealing ring BS 312 using ANSYS. Its stiffness-deformation curve and hysteresis curve are obtained respectively by means of load of static and alternating displacement. The simulation results show that, such a kind of O-type rubber sealing ring holds a better seismic and energy dissipation capacity. The simulation idea provides references for the performance analysis of all the rubber sealing rings.

O-type Rubber Sealing Ring; Contact Analysis; Finite Element Method; Hysteretic Behavior

U464.332+.4

A

2095-8412 (2016) 06-1088-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.007

劉俊(1983-)，女，漢族，湖北襄陽人，碩士，工程師。長期從事火箭橇技術(shù)研究。