CN107292056A - 一种基于有限元仿真分析的o形密封圈快速选型方法 - Google Patents

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刘鹏
蒋庆林
胡军锋
李新娟
贺江
温京亚
高金龙
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Abstract

本发明属于有限元分析技术领域，公开了一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，包括以下步骤：（1）确定O形密封圈的尺寸、工作环境等参数；（2）确定橡胶类物理非线性材料函数模型；（3）建立有限元模型；（4）仿真分析材料硬度、安装条件、环境压力与密封面接触压力之间的关系；（5）推算待定环境下O形密封圈的材料硬度及安装条件；（6）推算O形密封圈的密封性能。本技术方案方法简单，避免了繁琐的密封试验，降低了试验成本，大大缩短了设计、评估周期，不仅可以应用在密封系统的设计及改善方面，在密封可靠性评估方面也具有很好的使用价值。

Description

一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法
技术领域
本发明专利涉及密封系统设计技术领域，尤其设计一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，主要适用于工业管道、高压容器、海洋仪器等设备密封环境中O形密封圈的快速选型。
背景技术
O形密封圈是一种截面为圆形的橡胶圈，其形状简单，制作容易，成本低廉，是液压、气动系统中使用最为广泛的一种挤压型密封件，一般安装在密封沟槽内，既可用于静密封，也可用于往复运动密封中，不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。
O形密封圈是否具有良好的密封效果很大程度上取决于O形密封圈尺寸、沟槽尺寸及安装条件之间的匹配是否能够形成合理的密封圈压缩量与拉伸量。若O形密封圈压缩量过小，就会引起泄漏，压缩量过大，则会导致O形密封圈橡胶应力松弛而引起泄漏。在各类密封系统的设计过程中，密封试验成本高，设计、评估周期长，大大延长了产品的设计研发周期。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术问题，为了降低密封试验的成本，缩短设计、评估周期，本发明提出一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法。方案如下：
一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，包括以下步骤：
(1)确定O形密封圈的尺寸、工作环境等参数；
(2)确定橡胶类物理非线性材料函数模型；
(3)建立有限元模型；
(4)仿真分析材料硬度、安装条件、环境压力与密封面接触压力之间的关系；
(5)推算待定环境下O形密封圈的材料硬度及安装条件；
(6)推算O形密封圈的密封性能。
步骤(2)的方法是确定橡胶neo-Hookean Mooney-Rivlin模型。橡胶为物理非线性材料，确定O形密封圈材料的neo-Hookean Mooney-Rivlin简化函数模型为
W＝C10(I1-3) (1)
在模型中，系数C10等于剪切模量的一半。橡胶可近似看作不可压缩性材料，取泊松比μ≈0.5，弹性模量E≈3G。根据O形密封圈的硬度，代入式(2)，(3)确定模拟参数。
步骤(3)具体方法为利用确定的尺寸参数，建立O形密封圈的有限元仿真分析模型，O形密封圈与密封槽结构及所受载荷成轴对称分布，将计算模型简化为轴对称的平面模型，对密封圈进行分割处理，使模型的网格分布更为均匀，减少计算时间的同时提高计算精度。
步骤(4)中的接触压力涉及3个接触对，O形密封圈、密封槽及密封盖之间的两两接触，密封盖和密封槽在接触对中作为主接触面，O形密封圈作为从接触面。
步骤(4)需要确定边界条件与加载方式，约束密封槽的所有自由度，利用密封盖的强制位移模拟O形密封圈的安装过程，使O形密封圈处于一定的压缩状态，形成初始密封压力，在O形圈的外侧逐步施加均匀压力p，模拟单侧环境压力，分析其密封性能。
步骤(4)过程中，进行安装预紧过程接触压力仿真分析。
本方案基本思想是结合有限元仿真分析及O形密封圈使用环境，预测O形密封圈的材料硬度、密封圈的安装条件及其密封特性。确定O形密封圈的尺寸、工作环境等参数；建模，利用有限元分析软件仿真分析O形密封圈密封面的接触压力及压力分布情况，得到O形密封圈材料硬度、O形密封圈的安装条件与密封面接触压力的关系；根据密封环境压力推算出安全裕度的大小，评估其密封性能。
本发明方法简单，避免了繁琐的密封试验，降低了试验成本，大大缩短了设计、评估周期，不仅可以应用在密封系统的设计及改善方面，在密封可靠性评估方面也具有很好的使用价值。
附图说明
图1：本发明的一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法流程图；
图2：O形密封圈有限元模型——简化模型；
图3：O形密封圈有限元模型——网络模型；
图4：邵氏硬度90HA的O形密封圈安装压缩量与密封面接触压力分布关系；
图5：不同硬度O形密封圈的压缩率与密封面接触压力的关系；
图6：邵氏硬度90HA的O形密封圈在安装压缩率22％的情况下，外界压力与密封面接触压力分布关系；
图7：静水压力对安装压缩率22％的不同硬度O形密封圈自紧性能的影响曲线
图8：邵氏A90的密封圈密封面接触压力分布；
图9：密封圈在60MPa静水压力作用密封面接触压力分布。
具体实施方式
下面结合附图1-7及具体实施例对本发明作进一步的说明。
(1)确定O形密封圈的尺寸、工作环境等参数
本实施例以内径56mm，截面直径3.55mm的O形密封圈为例建立模型，在60MPa的工作环境进行仿真分析，确定O形密封圈的材料硬度、安装条件，推算出安全裕度的大小，进而评估其密封性能。
(2)确定橡胶类物理非线性材料函数模型——确定橡胶neo-Hookean Mooney-Rivlin模型
对于橡胶类物理非线性材料，确定O形密封圈材料的neo-Hookean Mooney-Rivlin简化函数模型为：
W＝C10(I1-3) (1)
在模型中，系数C10等于剪切模量的一半。橡胶可近似看作不可压缩性材料，取泊松比μ≈0.5，弹性模量E≈3G。根据O形密封圈的硬度，代入式(2)，(3)确定模拟参数。
分别以材料硬度为邵氏70HA、80HA、90HA、55HD(96HA)的O形密封圈为例，其性能参数见表1。
表1 不同硬度聚氨酯材料的性能参数(单位MPa)
硬度 70HA 80HA 90HA 96HA
E 5.5411 9.3875 20.925 55.538
C10 0.9236 1.5646 3.4875 9.2563
(3)建立有限元模型——模型建立与网格划分
在现有的有限元分析技术软件(本实例使用ABAQUS软件)中，利用确定的尺寸参数，建立O形密封圈的有限元仿真分析模型，密封槽尺寸按照对应国际标准建模，O形密封圈与密封槽结构及所受载荷成轴对称分布，将计算模型简化为轴对称的平面模型，如图2所示。
密封槽材料的弹性模量比O形密封圈材料的弹性模量高出很多，将密封槽及密封盖设为解析刚体，O形密封圈设为典型的不可压缩材料。如图3所示，对密封圈进行分割处理，使模型的网格分布更为均匀，减少计算时间的同时提高计算精度。
(4)仿真分析材料硬度、安装条件、环境压力与密封面接触压力之间的关系
a.确定接触条件
模型中包含3个接触对，分别是O形密封圈、密封槽及密封盖之间的两两接触。在分析过程中，密封盖和密封槽在接触对中作为主接触面，O形密封圈作为从接触面，并设定合适的摩擦系数。
b.确定边界条件与加载方式
首先约束密封槽的所有自由度，利用密封盖的强制位移模拟O形密封圈的安装过程，使O形密封圈处于一定的压缩状态，形成初始密封压力。然后，在O形圈的外侧逐步施加均匀压力p，模拟单侧环境压力，分析其密封性能。
c.安装预紧过程接触压力仿真结果分析
在邵氏A90的O形密封圈的安装过程中，密封接触面上形成初始密封压力，如图8所示，在没有外界压力或压力很小的情况下接触压力约为10MPa，O形密封圈依靠自身的弹性力作用实现密封。
图4为邵氏硬度90HA的O形密封圈在截面压缩率由17％变化至26％的安装过程中密封面上的接触压力S分布图。O形密封圈a、b、d的接触区域出现了压力集中，形成初始密封屏障。
如图5所示，四种硬度的O形密封圈在截面压缩率由17％变化至26％的安装过程中，密封面最大接触压力的变化范围分别为2.5MPa-3.8MPa、4.5MPa-7MPa、8MPa-13MPa、23MPa-38MPa。
在截面压缩率为17％-26％的范围内，增加O形密封圈的材料硬度与增加截面压缩率相比，材料硬度的增加对初始密封压力提高的影响更加显著。
(5)推算待定环境下O形密封圈的材料硬度及安装条件——密封性能仿真分析
图9为邵氏硬度90HA的O形密封圈在截面压缩率22％、密封间隙0.02mm时，静水压力载荷60MPa时的应力应变云图。在静水压力p的作用下O形密封圈被挤压至密封沟槽的内侧边。在O形密封圈自紧性能的作用下，密封接触压力随静水压力的增大而增大。
图6为邵氏硬度90HA的O形密封圈，在安装压缩率为22％时，静水压力由0变化至70MPa的过程中密封面上的接触压力分布图。在初始安装压力及O形密封圈自紧性能的作用下，O形密封圈的密封压力始终大于外部静水压力。
图7为静水压力对O形密封圈自紧性能的影响曲线，可以看出，在静水压力增加的过程中，O形密封圈呈现出良好的自紧性能，并使密封压力始终超出静水压一个安全裕度值。邵氏硬度为70HA、80HA、90HA、55HD的O形密封圈对应安全裕度值分别为2.5MPa、5.5MPa、10MPa、28MPa，大小约为相应密封圈的初始密封压力值。
可以看出，初始密封压力是O形密封圈密封安全可靠性的基础，其直接依赖于密封圈的材料硬度及初始安装条件。
(6)推算O形密封圈的密封性能。
经对比分析，邵氏硬度90HA的O形密封圈，在安装压缩率为22％情况下，可以提供约为10MPa的密封安全裕度值，能满足60Mpa的高压密封要求。
实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定O形密封圈的尺寸、工作环境等参数；
(2)确定橡胶类物理非线性材料函数模型；
(3)建立有限元模型；
(4)仿真分析材料硬度、安装条件、环境压力与密封面接触压力之间的关系；
(5)推算待定环境下O形密封圈的材料硬度及安装条件；
(6)推算O形密封圈的密封性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，其特征在于：步骤(2)的方法是确定橡胶neo-Hookean Mooney-Rivlin模型。橡胶为物理非线性材料，确定O形密封圈材料的neo-Hookean Mooney-Rivlin简化函数模型为
W＝C10(I1-3) (1)
在模型中，系数C10等于剪切模量的一半。橡胶可近似看作不可压缩性材料，取泊松比μ≈0.5，弹性模量E≈3G。根据O形密封圈的硬度，代入式(2)，(3)确定模拟参数。
<mrow> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mi>P</mi> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>15.75</mn> <mo>+</mo> <mn>2.15</mn> <mi>H</mi> <mi>S</mi> <mi>A</mi> </mrow> <mrow> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <mi>H</mi> <mi>S</mi> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mn>10</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>E</mi> <mn>6</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，其特征在于：步骤(3)具体方法为利用确定的尺寸参数，建立O形密封圈的有限元仿真分析模型，O形密封圈与密封槽结构及所受载荷成轴对称分布，将计算模型简化为轴对称的平面模型，对密封圈进行分割处理，使模型的网格分布更为均匀，减少计算时间的同时提高计算精度。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，其特征在于：步骤(4)中的接触压力涉及3个接触对，O形密封圈、密封槽及密封盖之间的两两接触，密封盖和密封槽在接触对中作为主接触面，O形密封圈作为从接触面。
5.根据权利要求4所述的一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，其特征在于：步骤(4)需要确定边界条件与加载方式，约束密封槽的所有自由度，利用密封盖的强制位移模拟O形密封圈的安装过程，使O形密封圈处于一定的压缩状态，形成初始密封压力，在O形圈的外侧逐步施加均匀压力p，模拟单侧环境压力，分析其密封性能。
6.根据权利要求4所述的一种基于有限元仿真分析的O形密封圈快速选型方法，其特征在于：步骤(4)过程中，进行安装预紧过程接触压力仿真分析。
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