基于ABAQUS的舌形密封圈結構參數分析

劉奇，趙彬，高文磊

(中國船舶集團有限公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

密封圈廣泛運用于工程機械[1]、船舶[2]、化工[3]等各種氣液壓系統中，對系統的密封性運行起著至關重要的作用。某船用大型矩形密封結構采用的是D形密封圈(圖1)，依靠固定板與活動臺壓縮D形密封圈進行密封。而活動臺由于功能要求需要頻繁地動作，進而造成了D形密封圈的磨損從而引發密封泄漏；同時該矩形密封結構的密封接觸范圍為5m×0.8m，密封難度較大，在固定板承載變形后會進一步地引發密封泄漏。為提升密封圈的耐用性和可靠性，設計了一種舌形結構的密封圈(圖2)。為確定該舌形密封圈的合理結構參數，本文利用分析軟件ABAQUS對舌形密封圈進行建模和計算，分析了舌形密封圈主要參數對密封性能的影響，為后續的結構設計提供理論依據。

圖1 D形密封圈結構

圖2 舌形密封圈結構

1 計算模型的建立

根據舌形密封圈的材料和結構的軸向一致性，采用二維平面模型進行密封性能的分析。同時對舌形密封圈的邊界條件進行簡化，以提升計算模型的計算效率。簡化后的二維平面計算模型如圖3所示。舌形密封圈主要是由舌狀橡膠條與固定板的側板抵壓而進行密封，結構設計時主要考慮厚度B、舌寬H、舌張角α參數。

圖3 二維平面計算模型

1.1 密封圈的本構模型

舌形密封圈采用的是橡膠材料，其材料可以經過大的變形而保持體積不變，也就是說可以被認為是不可壓縮的材料。據此，可以選用Mooney-Rivlin模型來描述橡膠類物理非線性材料，其模型表達式為[4]

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W為應變能密度；C10與C01為材料Mooney-Rivlin系數；I1和I2分別為第一、第二應變張量的不變量。本文的舌形密封圈材料為腈基丁二烯橡膠，C10與C01分別取1.87和0.47[5]。

1.2 有限元模型

舌形密封圈的有限元計算，是一個超彈性不可壓縮的非線性接觸問題。根據二維平面計算模型的特點，在有限元模型中作如下處理：

1) 固定板側板材料為普通碳素鋼，彈性模量E=210000MPa，泊松比μ=0.3；

2)為了便于求解，將固定板側板作剛體處理；

3)考慮固定板側板與舌形密封圈之間的摩擦，取摩擦系數為0.3；

4)設定初始邊界條件為舌形密封圈下端固定；分析采用側板下移接觸橡膠密封面；

5)網格單元采用帶減縮的一階平面應變單元CPE4R。

劃分網格后的有限元模型如圖4所示(本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者)，仿真計算接觸應力云圖(B=70mm，H=30mm，α=45°)如圖5所示。

圖4 有限元模型

圖5 接觸應力云圖

2 舌形密封圈的結構參數分析

2.1 密封性能評價標準

根據密封原理，實現可靠密封的充分必要條件是舌形密封圈與固定板側板接觸界面上的接觸應力不小于被密封的壓力[6]，也就是說接觸面上的接觸應力大小可以決定機構密封性能的高低。采取接觸面上的最大接觸應力作為評判舌形密封圈結構參數設計的優劣。

2.2 正交實驗

舌形密封圈的結構設計需要綜合考慮厚度B、舌寬H、舌張角α等因素。多因素分析時可考慮采取正交實驗法，通過正交表對試驗數據進行綜合比較與整體分析，用較少的試驗次數來獲得可靠性較高的試驗數據，以此來選出最優化的參數組合。

根據舌形密封圈的實際結構限制，用正交試驗法設計了三因素、三水平的正交實驗方案，采用L9(34)正交表設計試驗方案，試驗方案及結果如表1所示。

表1 正交試驗方案及結果

2.3 正交結果分析

通過正交試驗表可以看出第9組試驗選用的參數可以獲得較大的接觸應力，其選用方案為B(75)H(40)α(45)組合。為更深入地確定3個參數對密封性能影響的主次順序，對設計方案進行初步的優化，選用極差法進行數據分析，其步驟如下[7]：

1) 計算任一因素列上相同水平所對應的試驗結果之和K1、K2、K3；

2) 計算極差，R=max(K1,K2,K3)-min(K1,K2,K3)；

3) 比較極差大小。極差值R越大，代表該因素對試驗結果影響越大。

根據極差法步驟，可得舌形密封圈的極差分析結果如表2所示。

表2 極差分析結果

2.4 最優組合仿真驗證

采取結構參數厚度B為75mm，舌寬H為40mm，舌張角α為60°的參數組合進行數值模擬仿真，仿真結果如圖6所示。通過應力云圖可知，最大接觸應力達到了6.453MPa，明顯優于其他試驗組合，為舌形密封圈的最優參數組合。

圖6 最優組合接觸應力云圖

3 結語

1)利用有限元軟件ABAQUS完成了舌形密封圈的非線性分析，通過模擬仿真完成了對結構密封性能的預測，避開了大量、重復的人工實驗，提升了工作效率；

2)采取數值仿真技術研究了結構參數對密封性能的影響，為進一步的結構設計提供了理論依據，避免了傳統設計依靠人為經驗所帶來的不確定性；

3)運用正交試驗與極差分析法，通過較少的試驗數據得到了舌形密封圈的結構參數對密封性能的影響由大到小依次為：舌張角α、舌寬H、厚度B；舌形密封圈的最優設計組合為：B(75)H(40)α(60)，并通過了模擬仿真的驗證。