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柴油机橡胶密封圈的有限元分析

发布于:2016-10-19 21:37
有限元分析

      橡胶密封件广泛应用于包括内燃机在内的许多机械设备中,橡胶密封件的设计是关系到这些机械设备可靠性及寿命的一个重要环节,然而,由于它涉及到固体力学、高分子材料科学、液体侵蚀以及制造工艺等多方面的理论常识,故对该问题的精确研究存在许多困难,一般都根据经验公式进行设计。   
      目前,国内许多机械设备采用多个小截面密封圈成组进行密封。这种密封方式对轴、孔粗糙度的要求较高,导致加工复杂、安装困难,而且效果很难令人满意。而国外大多采用单个大截面密封圈进行密封。不仅在轴、孔粗糙度上降低了要求,安装容易,而且效果甚佳。本研究从固体力学的角度,结合国际上大型ANSYS有限元分析系统App,对柴油机O形橡胶密封圈进行了有限元分析计算,对不同截面和不同油压下计算结果进行了比较,总结出一些结论,为橡胶密封件的设计计算作了有益的探索。
对密封圈进行的有限元计算,由于边界条件一般较为复杂,使得必须将密封圈及密封结构的轴、孔作为一个整体进行分析。密封圈与轴、孔之间存在挤压作用,因此密封圈的有限元分析是个包含橡胶材料和金属材料的接触问题。   
      橡胶材料属于超弹性近似处理为一个不可压缩体,材料的本构关系是复杂的非线性函数,通常可以用应变能函数表示。在受力后,材料能够呈现出大位移大应变。力学模型表现为复杂的材料非线性和几何非线性。其变形后的体积可近似看成不变,故其应力不能由变形状态唯一确定,而是由变形和静水压共同确定。从变分角度讲,由于不可压缩条件的存在,使橡胶体的有限元分析变成一个等式条件变分问题。目前广泛采用Mooney-Revlin模型描述橡胶材料的应变能函数,同时附加体积约束能量项,得一修正的应变能函数。利用修正的应变能函数可使问题化为一无条件变分问题。
      接触问题是广泛存在于工程实际的一个复杂的非线性问题。随着力学理论、数学理论以及现代计算机技术的发展,各国学者提出了许多接触间题的有限元算法。可根据不同问题的力学模型性质选用适当的算法。ANSYS程序采用罚单元法描述接触问题。从变分角度看,是将结构的总势能二表达为应变势能W、外力势能We和接触力势能Q的和。
      在采用大槽宽(橡胶圈可沿轴向自由变形)密封结构时,内压作用不仅不会使橡胶圈脱离孔的内表面而产生泄漏现象,反而可增加橡胶圈与轴、孔之间的接触力,故建议橡胶密封结构采用大槽宽。如此可避免小槽宽密封结构中,橡胶圈由于单侧受内压作用而削弱其与孔内表面的接触力,甚至使其脱离孔的内表面而导致泄漏现象。对相同的压缩量,小截面橡胶圈对应的接触压力大,但接触带小。接触压力大势必导致安装困难及安装时被破坏的可能性大,增加失效泄漏概率,而接触带宽小,为使密封效果好,对轴、孔的粗糙度要求很高,造成加工困难。因此,橡胶密封结构在满足结构工艺等其他要求的状况下应尽可能选用大截面橡胶圈进行密封。温度的升高虽会使橡胶圈膨胀,但由于其Mooney-Revlin常数的变化,最大接触压力反而减小,可能会增加泄漏的可能性。本研究采用的方法可推广应用到一般的橡胶密封圈的分析计算。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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