靜密封條件下Y形橡膠密封圈有限元分析-惠諾油封
來源： 發布時間：2021-01-17 16:58
靜密封條件下Y形橡膠密封圈有限元分析
ginite Element Analysis on Rubber Sealing Y-ring in the Condition of Static Sea
摘要：針對在靜密封條件下使用的一種新型義形橡膠密封圈，利用大型有元軟件 ANSYS對形密封圖在不同工作壓力下的變形與受力情況進行了有限元分析，得出了相應的 Von-Mises 應力分布及接觸壓力分布，并預測了Y形密封圈可能出現裂紋的位置，總結了Y形密封圈接觸壓力的變化規律。
y形橡膠密封圈主要用幹液壓系統中活塞、注塞和活塞杆的密封。爲獲得初始密封，在設計Y形密封圈時，内、外唇有一定的過盈。當密封圈裝入溝槽中，達到密封的效果。在壓力作用下，由于密封唇圓周方向的變形，産生接觸壓力，随着液體壓力的增加，變形和接觸壓力也随之增加，Y形圈達到自封效果··· ·· 。作者在研制一種非剛性連接輸油管道新型連接器時，設計了一種Y形橡膠密封圈（非标準件）作爲連接器的密封件，所要求的密封狀态爲靜密封。爲了驗證其使用性能，傳統的方法是研制出實物橡膠圈進行試驗，研究其密封性能是否滿足要求，這種方法費時費力，效率低下。爲了提高設計效率，節約研究成本，本文作者提出采用大型有限元分析軟件AN-SYS對所設計的Y形密封圈進行有限元分析，通過分析密封圈的應力、接觸壓力和形變來考察其密封性能。
1.Y形密封圈有限元分析模型
1. 1橡膠材料的應力應變關系
橡膠從本質上說是一種粘彈性材料，其力學特性與時間及溫度有關，即呈現出蠕變、松弛、老化等現象。然而，當時間較短且溫度變化不大時，則可認爲橡膠材料是完全彈性的，即當載荷被撤走後，橡膠材料完全恢複到它未變形的狀态。在密封結構中，其力學模型表現爲複雜的材料非線性和幾何非線性。
AN-SYS非線性超彈性模型主要有PolynomidForm模型、Mooney.Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Arruda-Boyce模型、Gent模型、Ogden模型、Hyperfoam 模型、Blatz.Ko模型舊1.目前在ANSYS中廣泛
采用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的應變能函數。
(1)式中：w爲修正的應變能，c。爲Rivlin系數，，l、2分别爲第1、第2Green應變不變量。
本文作者利用ANSYS進行有限元分析時，采用兩常數的Mooney.Rivlin模型，則式（1) 變成：
（2)式中：c 。 。和c0。爲Rivlin系數，均爲正定常數。
1. 2接觸問題的有限元分析
接觸問題Ho的複雜性是由于系統狀态的改變，即由物體間的接觸、分離造成的，故接觸問題又被稱爲狀态非線性問題。目前，各國學者提出了許多接觸問題的有限元算法，如Lagrange乘子法、罰單元法以及基于求解器的直接約束法等。本文作者采用罰單元法，罰單元法就是在兩接觸面的各節點間建立一種僞
單元來模拟面與面的接觸。從變分角度看，罰單元法是将結構的總勢能II表達爲應變勢能形、外力勢能E和接觸力勢能Q的和呤1.即：
（3)通過罰單元給出Q的表達式，從而解決接觸面被穿透的問題。
1. 3 有限元模型的建立
基本假設： (1) 由于鋼構件構成的密封槽壁的剛度是橡膠的幾萬倍，所以不考慮其變形，将其視爲剛體邊界。 (2) 認爲Y形圈的橡膠材料不可壓縮。 (3) 橡膠密封圈及接觸邊界均按軸對稱問題處理，取Y形圈和密封槽壁的二維截面進行研究。Y形橡膠密封圈材料爲丁橡膠（NBR) , 硬度爲IRHD (國際橡膠硬度等級）85, 其主要設計尺寸如圖1所示。工作壓力爲0~3MPa.
橡膠單元采用實體單元PLANEI183, 分析中采用的橡膠材料模型爲近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivlin模型函數，其應變能偏量部分有關的2個材料常數c, 。和c。。分别爲1.87和0.47”1。模型中的接觸對由接觸單元CONTAI72和目标單元TARGEI69配對組成，溝槽邊界用剛體來模拟。模型網格劃分如圖2所示。
2 計算結果與分析
利用大型有限元軟件ANSYS對Y形密封圈在不同工作壓力下的變形與受力情況進行了有限元分析，得出了相應的範·米塞斯（Von-Mises) 應力分布及接觸壓力分布。
2. 1 Y形密封圈裝配時的分析
當剛體達到裝配位置（工作壓力P=0) , Y形密封圈被擠壓，壓縮量爲1.1mm.其壓縮形變、Von- Mises應力、接觸壓力分布如圖3、4所示。從圖中可以看出，最大Von-Mises應力出現在上下唇交彙處，達到了1。33MPa, 上下唇部的最大接觸壓力均
有0.57MPa。
2. 2不同工作壓力時Y形密封圈的Von-Mises 應力
Von-Mises應力反應了Y形圈截面上各主應力差值的大小。一般來講，應力值越大的區域，材料越容易出現裂紋。此外，應力越大，将加速橡膠材料的松弛，從而造成“剛度”下降。Von-Mises
應力子爲：
（4)
式中：a1、a2、a3, 爲單元體3個方向的主應力。
考慮到密封圈的工作壓力爲0-3MPa, 本文中選取了0。5, 1, 1。5, 2, 2。5, 3, 3。5, 4, 4。5, 5MPa10 個不同壓力進行分析，具體統計數據見表1.從表1可以看出，随着工作壓力的增加，最大Von-Mises 應力值逐步增加。圖5, 6爲低壓（1MPa) 和高壓（5MPa) 作用下Y形圈的Von-Mises應力圖。與低壓時相比，高壓作用下Y形圈剖面上的Von-Mises
應力也明顯增加，上下唇交彙處達到了5。8MPa.同時可以發現Von-Mises應力峰區的位置發生了變化，并且主要集中在Y形圈下部倒角處。這說明在不同工作壓力下Y形圈下部倒角處最可能出裂紋。
2. 3不同工作壓力時Y形密封圈的接觸壓力
Y形圈的密封面爲上下唇部，本文中主要分析了上下唇部的接觸壓力。接觸壓力的大小反應了Y形圈的密封能力，Y形圈保證密封的必要條件是密封界面上的最大接觸壓力大于或等于油壓。0。5~5MPa10個等級工作壓力下的最大接觸壓力如
表1所示。且從圖7可以看出，随着油壓的增加，最大接觸壓力亦随之增加，呈線性關系，其值總是大于油壓。從圖8, 9可以看出，接觸壓力的峰值總是出現在下唇部，并且上唇部的接觸長度總是大于下唇部接觸長度。圖10爲P=1, 3MPa時上下唇部接觸壓力變化圖，接觸壓力分布呈類似二次曲線變化，下唇部接觸壓力突變比較明顯。
3.結論
（1) 利用大型有限元分析軟件ANSYS, 實現之對所設計的Y形橡膠密封圈的有限元分析，使經驗設計得到了驗證，對Y形密封圈的設計和選型提供了一定的幫助。同時創新了設計方法，提高了設計效率，節約了研究成本。
（2) 通過有限元分析，得到了Y形密封圈的應力分布，可以有效地估計可能引起斷裂失效的區域。通過對不同工作壓力下Y形密封圈上下唇部的接觸壓力數據分析，總結了該類型Y形密封圈接觸壓力的變化規律，判定了各工況下Y形密封圈的密封性能。爲橡膠密封結構的優化設計提供依據，具有一定的工程應用價值。
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