CN108932362A - 一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法 - Google Patents

一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，包括：建立含橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽以及密封轴的高压氢气橡胶密封结构有限元模型；建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；基于ABAQUS‑UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；对高压氢气橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获得密封接触应力。本发明提出了溶解氢导致的溶胀应变的数学表征，能准确预测高压氢气环境下橡胶密封圈在承压状态下的密封接触应力。

Description

一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法
技术领域
本发明涉及橡胶密封圈密封特性预测领域，特别涉及一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法。
背景技术
氢能是新世纪重要的二次能源，高压储氢系统已成为世界各国氢能产业化推进的重点。橡胶密封件是高压氢系统不可缺少的重要组成部分，其密封性能是确保高压氢系统安全可靠运行必须关注的重点。为确保高压氢系统橡胶密封结构的长久、可靠运行，必须对橡胶密封圈在高压氢气环境下的密封特性进行预测与评估。
高压氢系统中橡胶密封圈直接与高压、高纯氢气接触，此过程将会发生氢的吸附、侵入、溶解和扩散，溶解在橡胶密封圈内部的氢将会导致其体积发生明显增加造成橡胶的溶胀(即吸氢溶胀现象)。随着氢气压力的升高，橡胶密封圈的吸氢溶胀愈明显，其如何影响密封特性(尤其是对密封面上的密封接触应力的影响)，目前国内外相关预测方法很少，仍缺乏高压氢系统橡胶密封圈在承压状态下密封特性的数值预测方法。
目前普遍接受的橡胶密封圈密封理论指出，橡胶密封圈密封的基本工作原理为：通过使橡胶密封圈发生弹性变形，使得密封接触面上产生接触应力，使其紧贴在被密封面上并挤入密封面所有微观凹陷，形成封闭的阻断密封带；密封面上的最大接触应力大于被密封介质的压力，则泄漏就不能形成，反之流体则会进入密封件和密封面之间的间隙并导致因表面分离引起的泄漏。因此密封接触应力是橡胶密封圈密封特性的重要表征参量。ABAQUS软件可以对简单工况下的橡胶密封结构进行密封接触应力分布的数值分析，但无法考虑吸氢溶胀的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，包括：
建立含橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽以及密封轴的高压氢气橡胶密封结构有限元模型；
建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
基于ABAQUS-UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
对高压氢气橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获得密封接触应力。
优选的，所述建立含橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽以及密封轴的高压氢气橡胶密封结构有限元模型为基于ABAQUS建立橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽、密封轴分别设置材料属性和划分网格，再对其进行装配之后设置分析步和通用接触属性。
优选的，建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型具体为：
建立气态氢在橡胶材料内部的传输扩散关系；
氢气扩散方程：
其中，CH为气体浓度，DH为气体扩散系数；
建立耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型，具体建立方式为：
(a)橡胶材料的一般形式的应变能函数W，也就是多项式形式的应变能函数为：
其中，Cij为材料常数，I1，I2为变形张量的不变量；
(b)柯西应力可由应变能函数导出：
其中，I为单位张量，B为左柯西—格林变形张量，p为静水压力；
(c)应力应变关系为：
其中，ε为真实应变张量；为弹性张量；表示率；
(d)耦合氢致溶胀应变的应变率张量表达式为：
其中，为弹性应变率，为氢致溶胀应变率；
(e)氢致溶胀应变率是各向同性，其表达式为：
式中，为溶解氢引起的单位长度的变形量，其与氢含量有关；δij为克罗内克符号。
优选的，所述基于ABAQUS-UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
具体为：通过ABAQUS的质量扩散模块进行氢扩散分析，在橡胶密封圈与高压氢气直接接触之处设定氢浓度为该工作压力下对应的氢含量，橡胶密封圈无介质压力侧的氢浓度设定为0，从而获得该边界条件对应的氢浓度分布；
开始施加增量步，在每个增量步迭代开始时通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将求解得到的氢扩散浓度场传递到结构应力场，通过SDV储存初始状态变量值，此时主程序传入当前状态和应变增量，然后计算氢致溶胀应变，运用后向欧拉算法由当前的状态和应变增量，求解应力增量，更新应力和计算雅克比矩阵，将更新后的状态返回主程序，同时返回雅可比矩阵给主程序以求解整体刚度矩阵并暂存状态变量，若迭代不收敛则返回重新迭代，若迭代收敛则然后进行下一增量步的求解，直至增量步结束。
优选的，所述初始状态变量值包括应力、应变、氢浓度以及应变增量。
优选的，所述当前的状态包括当时的应力、应变和状态变量。
优选的，所述对橡胶密封结构进行计算，获得密封接触应力具体为：将过程一建立的高压氢气橡胶密封结构有限元模型和过程三建立的ABAQUS用户材料子程序UMAT联合，使用ABAQUS/Standard对高压氢环境下的橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获取密封接触应力分布，预测高压氢系统中橡胶密封圈在承压状态下密封特性。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明提出了溶解氢导致的溶胀应变的数学表征，使用ABAQUS-UMAT用户材料子程序来数值实现所建立的将吸氢溶胀应变耦合的超弹性本构模型，该模型同时考虑了氢浓度场与结构应力场的耦合作用，能准确预测高压氢气环境下橡胶密封圈在承压状态下的密封接触应力。
附图说明
图1是本发明高压氢气橡胶密封结构有限元模型图；
图2是本发明对所提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型的UMAT数值实现流程图；
图3是橡胶密封圈最大密封接触应力—氢气压力的曲线图；
图4是工作气体压力为100MPa下考虑与不考虑吸氢溶胀对应橡胶密封圈的密封接触应力—密封接触宽度曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，过程如下：
一、建立含橡胶密封圈1、挡圈2、密封沟槽3以及密封轴4的高压氢气橡胶密封结构有限元模型；
二、建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
三、基于ABAQUS-UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
四、对高压氢气橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获得密封接触应力。
优选的，所述建立含橡胶密封圈1、挡圈2、密封沟槽3以及密封轴4的高压氢气橡胶密封结构有限元模型为基于ABAQUS建立橡胶密封圈1、挡圈2、密封沟槽3、密封轴4分别设置材料属性和划分网格，再对其进行装配之后设置分析步和通用接触属性。
优选的，建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型具体为：
建立气态氢在橡胶材料内部的传输扩散关系；
氢气扩散方程：
其中，CH为气体浓度，DH为气体扩散系数；
建立耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型，具体建立方式为：
(a)橡胶材料的一般形式的应变能函数W，也就是多项式形式的应变能函数为：
其中，Cij为材料常数，I1，I2为变形张量的不变量；
(b)柯西应力可由应变能函数导出：
其中，I为单位张量，B为左柯西—格林变形张量，p为静水压力；
(c)应力应变关系为：
其中，ε为真实应变张量；为弹性张量；表示率；
(d)耦合氢致溶胀应变的应变率张量表达式为：
其中，为弹性应变率，为氢致溶胀应变率；
(e)氢致溶胀应变率是各向同性，其表达式为：
式中，为溶解氢引起的单位长度的变形量，其与氢含量有关；δij为克罗内克符号。
优选的，所述基于ABAQUS-UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
具体为：通过ABAQUS的质量扩散模块进行氢扩散分析，在橡胶密封圈1与高压氢气直接接触之处设定氢浓度为该工作压力下对应的氢含量，橡胶密封圈1无介质压力侧的氢浓度设定为0，从而获得该边界条件对应的氢浓度分布；
开始施加增量步，在每个增量步迭代开始时通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将求解得到的氢扩散浓度场传递到结构应力场，通过SDV储存初始状态变量值，此时主程序传入当前状态和应变增量，然后计算氢致溶胀应变，运用后向欧拉算法由当前的状态和应变增量，求解应力增量，更新应力和计算雅克比矩阵，将更新后的状态返回主程序，同时返回雅可比矩阵给主程序以求解整体刚度矩阵并暂存状态变量，然后进行下一增量步的求解，直至增量步结束。
优选的，所述初始状态变量值包括应力、应变、氢浓度以及应变增量。
优选的，所述当前的状态包括当时的应力、应变和状态变量。
优选的，所述对橡胶密封结构进行计算，获得密封接触应力具体为：将过程一建立的高压氢气橡胶密封结构有限元模型和过程三建立的ABAQUS用户材料子程序UMAT联合，使用ABAQUS/Standard对高压氢环境下的橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获取密封接触应力分布，预测高压氢系统中橡胶密封圈1在承压状态下密封特性。
在ABAQUS中建立包括橡胶密封圈1、挡圈2、密封沟槽3以及密封轴4的高压氢气橡胶密封结构有限元模型，如图1所示，橡胶密封圈1采用轴对称杂交(Hybrid)单元CAX4H，挡圈2采用轴对称非协调单元CAX4I，密封沟槽3和密封轴4定义为解析刚体，橡胶密封圈1的作用是阻止橡胶密封圈1上侧的高压氢气泄漏到橡胶密封圈1下侧。
利用ABAQUS/Standard计算橡胶密封圈1在高压氢气状态下的密封过程，如图2所示，橡胶密封圈1采用O型圈，首先通过ABAQUS的质量扩散模块进行氢扩散分析，在O型圈与高压氢气直接接触之处设定氢浓度为该工作压力下对应的氢含量，O型圈无介质压力侧的氢浓度设定为0，从而获得该边界条件对应的氢浓度分布；然后开始施加增量步，在每个增量步迭代开始时调用用户材料子程序UMAT将求解得到的氢扩散浓度场传递到结构应力场，通过SDV储存初始状态变量值(应力、应变、氢浓度和应变增量等)，此时主程序传入当前状态(应力、应变、氢浓度)和应变增量，然后计算氢致溶胀应变，运用后向欧拉算法由当前的状态(应力、应变和状态变量等)和应变增量，求解应力增量，更新应力和计算雅克比矩阵，将更新后的状态返回主程序，同时返回雅可比矩阵给主程序以求解整体刚度矩阵并暂存状态变量，若迭代不收敛则返回重新迭代，若迭代收敛则进行下一增量步的求解，直至增量步结束，从而得到给定氢气压力下橡胶密封圈1密封接触应力和橡胶内部等效应力。
由图3可见，橡胶密封圈1在5、10、14、18、22MPa氢气压力下最大密封接触应力的数值模拟结果与实验结果吻合较好。
在工作气体压力为100MPa下吸氢溶胀对橡胶密封圈1的密封接触应力分布的影响可从图4看出，如图4所示，吸氢溶胀对橡胶密封圈1的密封接触应力产生显著影响。本发明提出的预测方法由于同时考虑了氢浓度场与结构应力场的耦合作用，更能准确预测高压氢环境下橡胶密封圈1在承压状态下的密封接触应力。
本发明并不限定只用于以氢气为试验介质，同样适用于硫化氢气体、天然气与氢气混合气体等试验介质。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于包括：
建立含橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽以及密封轴的高压氢气橡胶密封结构有限元模型；
建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
基于ABAQUS-UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
对高压氢气橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获得密封接触应力。
2.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于，所述建立含橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽以及密封轴的高压氢气橡胶密封结构有限元模型为基于ABAQUS建立橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽、密封轴分别设置材料属性和划分网格，再对其进行装配之后设置分析步和通用接触属性。
3.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于：
建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型具体为：
建立气态氢在橡胶材料内部的传输扩散关系；
氢气扩散方程：
其中，CH为气体浓度，DH为气体扩散系数；
建立耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型，具体建立方式为：
(a)橡胶材料的一般形式的应变能函数W，也就是多项式形式的应变能函数为：
其中，Cij为材料常数，I1，I2为变形张量的不变量；
(b)柯西应力可由应变能函数导出：
其中，I为单位张量，B为左柯西—格林变形张量，p为静水压力；
(c)应力应变关系为：
其中，ε为真实应变张量；为弹性张量；▽：表示率；
(d)耦合氢致溶胀应变的应变率张量表达式为：
其中，为弹性应变率，为氢致溶胀应变率；
(e)氢致溶胀应变率是各向同性，其表达式为：
式中，为溶解氢引起的单位长度的变形量，其与氢含量有关；δij为克罗内克符号。
4.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于：所述基于ABAQUS-UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；
具体为：通过ABAQUS的质量扩散模块进行氢扩散分析，在橡胶密封圈与高压氢气直接接触之处设定氢浓度为该工作压力下对应的氢含量，橡胶密封圈无介质压力侧的氢浓度设定为0，从而获得该边界条件对应的氢浓度分布；
开始施加增量步，在每个增量步迭代开始时通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将求解得到的氢扩散浓度场传递到结构应力场，通过SDV储存初始状态变量值，此时主程序传入当前状态和应变增量，然后计算氢致溶胀应变，运用后向欧拉算法由当前的状态和应变增量，求解应力增量，更新应力和计算雅克比矩阵，将更新后的状态返回主程序，同时返回雅可比矩阵给主程序以求解整体刚度矩阵并暂存状态变量，若迭代不收敛则返回重新迭代，若迭代收敛则然后进行下一增量步的求解，直至增量步结束。
5.根据权利要求4所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于：所述初始状态变量值包括应力、应变、氢浓度以及应变增量。
6.根据权利要求4所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于：所述当前的状态包括当时的应力、应变和状态变量。
7.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于，所述对橡胶密封结构进行计算，获得密封接触应力具体为：将过程一建立的高压氢气橡胶密封结构有限元模型和过程三建立的ABAQUS用户材料子程序UMAT联合，使用ABAQUS/Standard对高压氢环境下的橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获取密封接触应力分布，预测高压氢系统中橡胶密封圈在承压状态下密封特性。
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