基于APDL語言的O形密封圈數值模擬分析

肖超 邵騰 叢日平

摘 ?要：為了快速分析O形密封圈在預壓縮過程中的密封性能，基于APDL語言，建立其有限元模型并進行數值模擬分析，得到O形密封圈的變形情況、力學性能和密封性能，為類似密封圈的設計和應用提供了理論依據。

關鍵詞：O形圈;密封;APDL

中圖分類號：TP391.7：U469.3 ? 文獻標識碼：A

引言

O形密封圈由于其結構簡單、生產成本低廉、安裝拆卸方便、密封性能良好等特點而被廣泛使用，如活塞缸、往復式液壓馬達[1-2]。隨著計算機科學技術應用領域的不斷拓展，數值模擬技術在油液密封領域中得到了迅猛發展，諸多學者對不同工況條件下密封圈的密封性能進行了研究[3-4]。

分析發現，現有研究多數是側重于密封圈密封性能的仿真研究。而在方案設計前期，如何能夠快速獲得不同方案的密封特性并進行方案擇優則成為難點。

為此，本文基于ADPL語言分析方法，建立O形密封圈有限元模型并進行數值模擬分析，得到其變形情況、力學性能和密封性能。通過與文獻4的仿真結果進行對比分析，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意義。

1基于APDL語言的參數化建模流程

參數化設計語言APDL（Parametric Design Language）使研發人員對密封圈選型及溝槽設計具有絕對控制權，通過修改尺寸、材料、載荷等參數，可以快速實現不同系列產品的密封性能分析、結構優化設計等[4]，具體分析步驟如圖1所示。

2 O形密封圈參數化建模

2.1 幾何結構

如圖2所示為密封圈及溝槽截面結構，為便于與文獻4中的結果進行對比分析，O形密封圈直徑為7mm，密封槽尺寸為9.7 mm×5.72 mm[4]。

由于活塞和活塞桿的剛度遠大于O形密封圈的剛度，為此，將活塞和活塞桿簡化為線，建立幾何模型。

用APDL表達為：

t1=9.7 ！O圈槽寬

r0=7/2 ? ！O圈半徑

r1=150/2 ！活塞內徑

r2=150/2+5.72 ！活塞外徑

r3=r1+2*r0 ? ！活塞桿內徑

b=5

ra=0.1 ！槽口半徑

rb=1 ！槽底半徑

k，1，r2-t，0 ！定義點A的位置

k，2， r2-t，b ！定義點B的位置

k，3，r1，b ！定義點C的位置

k，4，r1，b+t1 ！定義點D的位置

k，5，r2-t， b+t1 ！定義點E的位置

k，6，r2-t，2*b+t1 ！定義點F的位置

k，7，r1+r0，b+t1-r0 ！定義O圈圓心的位置

k，8，r3，0 ！定義點G的位置

k，9，r3， 2*b+t1 ！定義點H的位置

l，1，2

l，2，3

l，3，4

l，4，5

l，5，6

cyl4， r1+r0，b+t1-r0，r0 ！繪制O形截面

lfillt，1，2，ra ！創建倒圓角

lfillt，4，5，ra

lfillt，2，3，rb

lfillt，3，4，rb

2.2材料參數

O形密封圈為多數為橡膠材料，屬于超彈性材料，選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠的力學性能[3]，其函數表達式為：

其中，W為應變能;C10和C01為材料定常數;I1和I2分別為第一、第二應變常數。

分析中密封圈選擇丁腈橡膠，其泊松比為0.499，C10和C01分別取1.87MPa、0.47 MPa。

用APDL表達為：

c10=1.87

c01=0.47

nu1=0.499

dd= （1-2*nu1）/（c10+c01）

tb，hyper，1，1，2，mooney

tbdata，1，c10，c01，dd ！定義Mooney-Rivlin模型參數

2.3 劃分網格

采用TARGE169單元和CONTA171單元描述接觸狀態，分別建立密封圈與活塞、活塞桿的接觸對，設定初始摩擦因數為0.2，設置O形密封圈網格尺寸為0.3mm并細化接觸對之間的網格，其模型如圖3所示。

2.4 載荷及邊界條件

模擬O形密封圈在10%預壓縮率下的密封性。采用相對位移法施加預緊力，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。

用APDL表達為：

lsel，s，，，1，5

lsel，a，，，11，14

nsll，s，1

cp，1，ux，all

cp，1，uy，all

d，all，uy，0

d，all，ux，0

lsel，s，，，10

nsll，s，1

cp，2，ux，all

cp，2，uy，all

d，all，uy，0

lsel，s，，，10

nsll，s，1

d，all，ux，-0.1*r0*2

3結果分析

3.1 計算仿真結果

當初始壓縮量為10%時，密封圈截面等效應力云圖如圖4所示。密封圈最大等效應力為2.10MPa。

圖5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3.13MPa。

用APDL表達為：

！結果輸出

/post1

asel，all

esla，s

plnsol，s，eqv ！繪制密封圈等效應力云圖

allsel.all

plnsol，cont，pres ！ 繪制密封圈接觸應力云圖

3.2 仿真結果驗證

將O形密封圈等效應力、接觸壓力結果與文獻4中的結果[4]（圖6、圖7）對比分析可知，基于APDL語言得到的虛擬樣機仿真結果誤差在工程允許范圍內，證明了該方法求解結果的正確性。

3.3 系列O形密封圈求解

通過修改第2節中的輸入參數，可以快速獲得不同結構尺寸、不用壓縮率情況下的O形密封圈仿真結果，這里不再一一嘗試。

4 ?結語

本文基于APDL語言建立了O形密封圈的參數化模型并進行了密封仿真，通過與理論結果的對比分析，證明了該方法的正確性，從而為用戶擺脫繁瑣的理論計算，直觀、快速地獲得O形密封圈密封效果提供了一種新思路。

參考文獻：

[1]汝紹峰，劉延嬌.O形和Y型密封圈預壓縮密封性能分析[J]，中國工程機械學報，2019，17（5）：466 - 470.

[2]曹贊.基于有限元的O形密封圈密封性能分析[J]，CAD/CAM與制造業信息化，2014（8）：46-48.

[3]姚春峰，李萌，高立超，等.O形密封圈的有限元分析[J]，機械制造，2019， 47（5）：64-68.

[4]王東輝，戈嗣誠，王立武，等.柔性艙O 型密封圈密封性能分析[J]，航天返回與遙感，2021， 42（1）：48-56.

作者簡介：

肖超（1990-），女，山西長治人，工程師，碩士，主要從事機械設備結構設計工作。