CN114692331A - 橡胶o形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械结构健康监测方法，特别涉及一种橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法。为解决现有有限元方法无法实现橡胶O形圈密封结构老化状态的高精度建模和高效求解的问题。本发明的技术方案方法为首先获得不同老化天数的橡胶材料试样，并通过力学性能测试评估橡胶材料的老化程度；然后采用建模‑导入‑前处理方式建立橡胶O形圈密封结构的有限元模型，其中通过设置橡胶O形圈的不同压缩弹性模量达成等效模型的不同老化状态，通过设置边界条件实现橡胶O形圈的不同压缩率；最后通过模态分析和随机振动分析，得到不同压缩率下老化状态和响应特征之间的变化规律。

Description

橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法
技术领域
本发明涉及机械结构健康监测方法，特别涉及一种橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法。
背景技术
橡胶具有优异的弹性性能和抗压变性能，可以有效阻止压力介质的泄漏，橡胶O形圈密封结构被广泛应用于航空、航天、航海、能源与交通等众多领域的机械设备中。
机械设备的长期存储和使用过程中，由于受温度、湿度、腐蚀等环境因素及其变化的影响，橡胶密封件不可避免地发生发粘、发硬、龟裂或微裂纹等老化现象，导致其物理、化学及力学性能下降，致使橡胶密封结构的密封性能退化，进而影响整个机械设备的运行安全。因此，研究橡胶O形圈密封结构老化状态在线检测方法是工程实际的迫切需要，对于保障机械设备的运行安全具有重要意义。
基于动态响应的检测方法是一种实现橡胶O形圈密封结构老化状态在线检测的有效手段，动态响应特性是基于动态响应信号检测橡胶O形圈密封结构老化状态的基础。
目前主要的研究集中在采用传统有限元方法建立橡胶O形圈密封结构的动力学模型，模拟密封圈密封过程和分析密封圈密封性能等方面，对橡胶O形圈密封结构不同老化状态动态响应的建模研究很少，因而难以反映结构不同老化状态与动态响应特性的关系。橡胶O形圈密封结构的动力学特性具有强非线性，传统有限元方法在非线性结构动力学建模方面存在求解精度差、计算效率低的不足，难以实现橡胶O形圈密封结构老化状态的高精度建模和高效求解，不能直接用来给出不同老化状态响应特性的定量分析，也就不能基于动态响应信号给出老化状态的正确预测，造成结构服役的安全隐患。
发明内容
本发明为解决现有有限元方法无法实现橡胶O形圈密封结构老化状态的高精度建模和高效求解的问题，提供一种橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法，首先获得不同老化天数的橡胶材料试样，并通过力学性能测试评估橡胶材料的老化程度；然后采用建模-导入-前处理方式建立橡胶O形圈密封结构的有限元模型，其中通过设置橡胶O形圈的不同压缩弹性模量达成等效模型的不同老化状态，通过设置边界条件实现橡胶O形圈的不同压缩率；最后通过模态分析和随机振动分析，得到不同压缩率下老化状态和响应特征之间的变化规律。
进一步的，上述等效模型不同老化状态是通过设置不同老化程度橡胶O形圈的压缩弹性模量参数实现；所述的不同老化程度橡胶O形圈的压缩弹性模量参数，是首先通过热空气加速老化实验获得不同老化天数的橡胶材料试样，然后对不同老化天数的试样进行力学性能测试获得。
进一步的，上述的不同压缩率是固定内环与对外环在径向设置相对位移实现。
进一步的，上述模态分析方法，首先是对结构进行静力学分析，然后将静力学分析的结果导入模态分析中完成。
进一步的，上述随机振动分析是等待模态分析完成后，对模型进行随机激励响应计算来完成。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明采用建模-导入-前处理方式建立橡胶O形圈密封结构的二维轴对称有限元模型，该模型满足计算精度与计算时间的要求，通过热空气加速老化实验和力学性能测试实验得到不同老化程度橡胶材料的压缩弹性模量参数，使用输入橡胶O形圈不同压缩弹性模量的方式达成等效模型不同老化状态的目的。
(2)本发明利用建立的有限元模型，集合了常见的压缩率参数，还选用了压缩弹性模量参数，综合起来进行不同压缩率下橡胶O形圈密封结构不同老化状态的模态分析，分析不同老化状态下结构的固有频率和模态振型变化规律，利用模态分析的结果，使用模态叠加法进行随机振动分析，分析不同老化状态下结构的随机激励响应特性变化规律。
(3)本发明建立了老化状态和响应特性之间的变化规律，可为橡胶密封结构老化状态检测提供理论依据和先验知识，定量地提供不同老化状态的响应特性信息，可以基于动态响应信号预测老化的进度，从而保障生产的安全。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是图1中对橡胶材料老化试样与老化参数获取的示意图。
图3是图1中获取的不同老化天数下橡胶材料的压缩弹性模量。
图4是图1中对橡胶O形圈密封结构建模的有限元模型图。
图5是图1中对橡胶O形圈密封结构进行模态分析时得到的老化状态和固有频率之间的变化规律。
图6是图1中对橡胶O形圈密封结构进行随机振动分析时施加的随机振动功率谱密度谱形图。
图7是图1中对橡胶O形圈密封结构进行随机振动分析时得到的老化状态和竖直方向振动加速度响应功率谱之间的变化规律。
图8是图1中对橡胶O形圈密封结构进行随机振动分析时得到的老化状态和水平方向振动加速度响应功率谱之间的变化规律。
图9是图1中对橡胶O形圈密封结构进行脉冲激励实验采集到的某一老化状态下的时域信号，以及通过信号分析提取到的固有频率。
图10是图1中对橡胶O形圈密封结构进行实验模态和有限元模态对比的结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本发明实施例提供的一种橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法，流程如图1所示。
首先，通过热空气加速老化和力学性能测试，获得不同老化天数的橡胶材料老化试样以及老化参数。
然后，采用建模-导入-前处理方式建立橡胶O形圈密封结构的有限元模型，其中通过设置橡胶O形圈不同压缩弹性模量的方式达成等效模型不同老化状态的目的。
随后，通过有限元模型进行模态分析和随机振动分析，得出结构老化状态和响应特性之间的变化规律。
最后，对实验装置进行脉冲激励实验，通过数据采集和信号参数提取，完成有限元模型的验证。
具体步骤实施如下：
一、橡胶材料老化试样与老化参数获取
首先通过热空气加速老化实验获得不同老化天数的橡胶O形圈试样、拉伸试样和压缩试样；然后，采用不同老化天数的拉伸试样和压缩试样进行拉伸、压缩和硬度测试；最后分析得出橡胶材料参数与老化天数之间的关系。
二、橡胶O形圈密封结构建模
建立橡胶O形圈密封结构的二维轴对称模型，导入有限元分析软件，通过材料参数的确定、接触的设置与网格的划分、边界条件的设置等进行前处理。
其中通过设置橡胶O形圈不同压缩弹性模量的方式达成等效模型的不同老化状态，通过设置边界条件实现橡胶O形圈的不同压缩率。所说的等效模型不同老化状态的达成是通过设置不同老化程度橡胶O形圈的压缩弹性模量参数实现，所说的不同老化程度橡胶O形圈的压缩弹性模量参数，是首先通过热空气加速老化实验获得不同老化天数的橡胶材料试样，然后对不同老化天数的试样进行力学性能测试获得。所说的不同压缩率是固定内环与对外环在径向设置相对位移实现。
三、模态分析与随机振动分析
首先，对结构进行静力学分析；然后，将静力学分析的结果导入完成模态分析中；随后，在模态分析的基础上进行随机振动分析；最后，总结得出橡胶O形圈密封结构老化状态和响应特性之间的变化规律
四、有限元模型的实验验证
首先，搭建脉冲激励实验平台，对处于不同老化状态下的橡胶O形圈密封结构进行脉冲激励实验，采集结构的动态响应信号；然后，对采集到的时域信号进行傅里叶变换，得到频域信号，通过频谱峰值确定橡胶O形圈密封结构的固有频率；最后，将实验分析结果与有限元分析结果进行对比分析，验证橡胶O形圈密封结构有限元模型的有效性。
以下给出一个具体的应用实例过程，同时验证了本发明在工程应用中的有效性。
一、橡胶材料老化试样与老化参数获取
根据设计的典型橡胶O形圈密封结构的实验装置确定橡胶O形圈试样，根据拉伸和压缩性能测试方法裁剪拉伸和压缩试样。如图2所示，首先将橡胶O形圈试样、拉伸试样和压缩试样三种试样同时放入老化箱，在同等条件下进行热空气加速老化，分别在老化未开始和老化进行了1、2、3、4、5、6、7、8、9天时，不放回地取出一组试样，共获得10组不同老化天数的试样，每组试样包括4个胶O形圈试样，3个拉伸试样和3个压缩试样。
然后，采用10组不同老化天数的拉伸和压缩试样，进行拉伸和压缩测试以及硬度测试，获得橡胶材料参数与老化天数之间的关系，其中测试获得的压缩弹性模量与老化天数之间的关系如图3所示。从图3可看出：随着老化天数的增加，橡胶材料的压缩弹性模量呈现逐渐增大的趋势，这表明橡胶材料的老化程度随老化天数的增加逐渐加深。
二、橡胶O形圈密封结构建模
橡胶O形圈密封结构的边界条件复杂，为了便于进行有限元分析，根据设计的橡胶O形圈密封结构实验装置尺寸，建立橡胶O形圈密封结构的二维轴对称模型，如图4所示。
将建立的模型导入有限元分析软件，输入模型中各零件的材料参数，将测得的10组不同老化天数下的橡胶材料压缩弹性模量分别输入，即可以完成等效模型不同老化状态的目的。
对整体结构进行接触设置和网格划分，模型的2对接触均采用有摩擦接触，采用四边形划分方法进行网格划分，网格尺寸为0.15mm。
进行边界条件的设置：插入固定支撑对内环进行固定，根据压缩率的要求对外环在径向设置所对应的远程位移实现，也就是通过固定内环与对外环在径向设置的相对位移实现。
三、模态分析与随机振动分析
1)模态分析。为保证模态分析边界条件的施加与计算的准确性，在进行模态分析之前，首先对结构进行静力学分析，然后在静力学分析的基础上进行模态分析，选择计算结构的前6阶模态结果，将10种不同老化天数的橡胶材料压缩弹性模量依次输入建立的有限元模型中，实现模型老化状态的等效，计算出10种不同老化状态下结构的重要模态参数，其中橡胶O形圈密封结构老化状态和固有频率之间的变化规律如图5所示。
2)随机振动分析。在模态分析的基础上进对模型进行随机振动分析，获得随机激励下结构的能量传递情况，施加的随机振动功率谱密度谱形如图6所示，加载方向为竖直方向，总结得出的橡胶O形圈密封结构老化状态和竖直方向振动加速度响应功率谱之间的变化规律如图7所示，图8为总结得出的橡胶O形圈密封结构老化状态和水平方向振动加速度响应功率谱之间的变化规律。
四、有限元模型的实验验证
为了验证有限元模型的有效性，搭建脉冲激励实验平台，对处于不同老化状态下的橡胶O形圈密封结构采用力锤进行脉冲激励实验，通过加速度传感器和数据采集系统完成结构动态响应信号的数据采集。
然后进行信号处理和参数提取，如图9所示，对采集到的时域信号，进行傅里叶变换得到频域信号，通过频谱峰值确定橡胶O形圈密封结构的固有频率。
有限元模态计算和分析实验数据提取的一、二、四、五以及六阶固有频率的对比结果如图10所示，从图10可以看出，有限元模态计算结果和实验模态提取结果基本一致，相对误差较小，满足精度要求，从而验证了有限元模型的有效性。
得到上述的橡胶O形圈密封结构不同老化状态响应特性的定量分析结果后，在实际使用中，将结构的动态响应信号进行分析处理，提取模态参数和功率谱参数，就可以定量地推知橡胶O形圈密封结构所处的老化状态。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法，其特征在于：首先获得不同老化天数的橡胶材料试样，并通过力学性能测试评估橡胶材料的老化程度；然后采用建模-导入-前处理方式建立橡胶O形圈密封结构的有限元模型，其中通过设置橡胶O形圈的不同压缩弹性模量达成等效模型的不同老化状态，通过设置边界条件实现橡胶O形圈的不同压缩率；最后通过模态分析和随机振动分析，得到不同压缩率下老化状态和响应特征之间的变化规律。
2.根据权利要求1所述的橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法，其特征在于：所述的等效模型不同老化状态是通过设置不同老化程度橡胶O形圈的压缩弹性模量参数实现；所述的不同老化程度橡胶O形圈的压缩弹性模量参数，是首先通过热空气加速老化实验获得不同老化天数的橡胶材料试样，然后对不同老化天数的试样进行力学性能测试获得。
3.根据权利要求2所述的橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法，其特征在于：所述的不同压缩率是固定内环与对外环在径向设置相对位移实现。
4.根据权利要求3所述的橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法，其特征在于：所述的模态分析方法，首先对结构进行静力学分析，然后将静力学分析的结果导入模态分析中完成。
5.根据权利要求4所述的橡胶O形圈密封结构老化状态的响应特性定量分析方法，其特征在于：所述的随机振动分析是等待模态分析完成后，对模型进行随机激励响应计算来完成。
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