橡膠o形橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠密封接觸應(yīng)力的有限元分析

橡膠o形橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠密封接觸應(yīng)力的有限元分析

橡膠o型線圈結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越廣泛應(yīng)用于許多機械工程中。由于其使用性能的可靠性直接影響設(shè)備的正常工作，有時會造成重大事故。因此,對橡膠O形密封圈的使用情況進(jìn)行模擬,并分析其可靠性,尤其是考慮在高(低)溫、帶有局部損傷情形下的分析,對預(yù)測其使用的安全性也具有重要意義。但由于橡膠密封件的使用情況復(fù)雜,其設(shè)計、制造涉及多方面的理論知識,因而對橡膠密封件在安裝和使用中的變形及密封界面上接觸應(yīng)力的精確計算,在理論上存在較大的困難。然而,利用非線性有限元,研究人員可以模擬橡膠O形密封圈的使用情況,取得了一些研究成果。但他們都沒有將應(yīng)力松弛過程考慮到分析模型中,尤其對長期使用的橡膠O形密封圈來講,由于其壓縮永久變形使密封界面上的最大接觸應(yīng)力有所降低,可能導(dǎo)致O形密封圈在使用中失效。因此,本文作者建立了橡膠O形密封圈軸對稱非線性有限元模型,對應(yīng)力松弛下O形密封圈進(jìn)行了分析,并對其使用的可靠性和壽命進(jìn)行了預(yù)測。1橡膠o型密封元模型1.1有限元網(wǎng)格模型根據(jù)橡膠O形密封圈?54mm×6mm的實際斷面尺寸及相應(yīng)的溝槽尺寸,在MSC.Mentat中建立有限元網(wǎng)格模型,O形圈的網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格劃分功能,模型共有1485個節(jié)點,1424個單元,溝槽簡化為剛體。平面軸對稱有限元模型及溝槽參數(shù)如圖1所示。其中基本溝槽尺寸分別為R=0.4mm,r=0.2mm,h=4.7mm,B=7.6mm。1.2應(yīng)變能密度函數(shù)橡膠O形密封圈在使用時,為保證密封的可靠性,應(yīng)變可達(dá)10%～30%,甚至更高,屬于典型的大應(yīng)變幾何非線性問題。對這類幾何非線性問題可用TotalLagrange格式來描述,相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別為第二類Piola-Kirchhoff應(yīng)力Sij和Green應(yīng)變Eij。對于橡膠類大應(yīng)變粘彈性物理非線性材料,基于應(yīng)變能函數(shù)乘法分解可表示為:W(Eij,t)=W(Eij)×R(t)(1)式中:W(Eij)為描述即時變形應(yīng)變能的Mooney-Rivlin或Ogden模型;R(t)為與時間相關(guān)的松弛函數(shù)。一方面,本文作者采用Mooney-Rivlin模型,如式(2)所描述:W(Ι1?Ι2)=n∑i,j=0Cij(Ι1-3)i(Ι2-3)j(2)式中:Cij為Rivlin系數(shù);I1,I2分別為Green應(yīng)變的第一、二不變量。另外,Yeoh根據(jù)炭黑填充膠料的試驗數(shù)據(jù)提出了基于不變量I1-3作為應(yīng)變能密度W的一種三次方程,能夠很好地描述炭黑填充膠料的非線性彈性力學(xué)行為。如式(3)所述:W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3(3)其中系數(shù)C10,C20,C30由橡膠的單向拉伸試驗和最小二乘法來確定。單軸拉伸時,式(3)可化為如下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:σλ-λ-2=C10+4C20(Ι1-3)+6C30(Ι1-3)2(4)式中:λ為主伸長率;I1為Green應(yīng)變第一不變量,I1=λ2+2λ-1(5)另一方面,描述橡膠松弛特性的函數(shù)R(t)可用Prony級數(shù)表示如下:R(t)=1-Ν∑n=1δn(1-exp(-t/λn))(6)式中:δn為無量綱的乘子,λn為相應(yīng)的時間常數(shù)。這些系數(shù)可用橡膠的應(yīng)力松弛試驗曲線或數(shù)據(jù),輸入到MSC.Marc中計算得到。1.3橡膠o形密封圈的應(yīng)力松弛過程為考察橡膠O形密封圈安裝過程中與其相應(yīng)溝槽的接觸變形情況,本文作者利用庫侖摩擦模型,計算采用直接約束法。首先,將缸壁移出一定距離,使其與O形密封圈不接觸;然后使缸壁線性緩慢移動至安裝位置;最后,在O形密封圈的一側(cè)逐步施加8MPa油壓,使其達(dá)到最終接觸變形狀態(tài)。對橡膠O形密封圈的應(yīng)力松弛過程的分析,分2種情況考察:(1)橡膠O形密封圈達(dá)到裝配位置后,不施加油壓下(機械設(shè)備的存放階段);(2)施加油壓達(dá)到8MPa后(機械設(shè)備正常工作階段)。2結(jié)果和分析2.1應(yīng)力松弛對o形密封圈cmx的影響為了模擬橡膠O形密封圈的裝配過程,先將缸壁外移與密封界面分開,然后逐漸施加位移到達(dá)安裝位置。圖2給出了對O形密封圈施加不同初始壓縮率后,未施加油壓(p=0)時,缸壁與O形密封圈接觸界面上的接觸法向應(yīng)力分布,可知應(yīng)力松弛2h(t=2h)和沒有應(yīng)力松弛(t=0)下,接觸應(yīng)力分布都近似呈拋物線分布。隨著壓縮率ε的增大,接觸界面的寬度逐漸增大;并且最大接觸法向應(yīng)力σcmax的數(shù)值逐漸增大,σcmax數(shù)值與ε成線性增大的規(guī)律,如圖3所示。對往復(fù)運動的O形密封圈,初始壓縮率的推薦值為10%～20%,所以分析所采用的壓縮率都在此范圍內(nèi)。相同壓縮率下,應(yīng)力松弛2h后,O形密封圈接觸界面上的接觸法向應(yīng)力大小都有不同程度的減小,其中σcmax減小最大,如圖2所示。圖3給出了不同壓縮率下,應(yīng)力松弛對O形密封圈σcmax的影響。從圖3可知,在相同的應(yīng)力松弛時間下,隨著壓縮率的增大,σcmax數(shù)值降低的幅度增大,這主要是由于過大的壓縮率產(chǎn)生的永久變形較大所致。應(yīng)力松弛后,O形密封圈密封界面上的σcmax數(shù)值隨著ε的增大成線性增大的趨勢。不同壓縮率下,O形密封圈密封界面上的σcmax隨應(yīng)力松弛時間的變化規(guī)律如圖4所示。從圖中可看出,在開始約200s內(nèi)應(yīng)力衰減的幅度較大,然后逐漸趨緩。不同壓縮率下的接觸應(yīng)力衰減規(guī)律是一致的,但衰減的幅度稍有不同,壓縮率較大時,接觸應(yīng)力衰減稍大些。由此得出:當(dāng)橡膠O形密封圈裝配到溝槽中長期處于壓縮狀態(tài),而無油壓時(即機械設(shè)備處于停用狀態(tài)),當(dāng)壓縮率較大時,應(yīng)該考慮應(yīng)力松弛所導(dǎo)致的密封界面上最大接觸應(yīng)力的減小,否則會造成密封失效,引起設(shè)備事故。2.2cmx的變化在油壓p為8MPa下,壓縮率ε為15%時,應(yīng)力松弛2h前后密封界面上接觸法向應(yīng)力的分布如圖5所示。從圖5中可以看出,密封界面上接觸應(yīng)力的大小都有不同程度的減小,其中最大接觸應(yīng)力由應(yīng)力松弛前的11.67MPa減小為10.75MPa(見表1),衰減幅度最大,但此時的σcmax仍大于油壓8MPa,因而密封是可靠的。不同油壓下,不同壓縮率及不同應(yīng)力松弛時間對橡膠O形密封圈最大接觸應(yīng)力σcmax的影響如表1所示。由表中可看出,在壓縮率相同的情況下,隨著油壓的增大,σcmax逐漸增大;在油壓相同時,σcmax隨著壓縮率的增大而增大;應(yīng)力松弛1年后,在推薦范圍(10%～20%)內(nèi)的壓縮率下的最大接觸應(yīng)力都大于相應(yīng)的油壓,因而該橡膠O形密封圈使用仍然是可靠的。在相同油壓和壓縮率下,從應(yīng)力松弛1年和2h的σcmax比較可看出,二者相差不大,正如圖4所示應(yīng)力衰減主要發(fā)生在初期階段(約200s),此后應(yīng)力的減小很小。3應(yīng)力松弛效果(1)在沒有油壓下,應(yīng)力松弛前后O形密封圈接觸界面上的應(yīng)力分布呈拋物線;應(yīng)力松弛后,O形密封圈中的最大接觸應(yīng)力有明顯降低,在200s內(nèi)應(yīng)力衰減較快。(2)在應(yīng)力松弛1年并施加油壓后,接觸界面上的應(yīng)力分布變化較大,但最大接觸應(yīng)力仍都大于油