發動機的“三漏”問題，已日益成為影響發動機性能、可靠性、使用周期等的重點關注對象，因此發動機各密封材料的密封性能和可靠的連接方法是減少甚至消除這類問題的關鍵，對密封件的研究已經成為目前發動機設計中的一個重要組成部分。

一般而言，密封結構的裝配關系及幾何形狀比較復雜,其中的橡膠密封元件,具有非線性本構關系。它會導致結構受力變得復雜,承載后會出現大位移、大應變。因此，傳統的設計方法, 在實驗之前不能預先地對密封結構的性能進行評價,只能依賴于設計者的經驗,這顯然已經不能滿足現代精確設計的要求。本文針對某發動機開發中橡膠密封墊密封問題，利用大型有限元分析軟件Abaqus，建立有限元分析模型，驗證了該橡膠密封墊的失效原因，校核了優化方案的密封性能，為橡膠密封墊密封問題提供了理論依據，使問題得到了解決。

1.理論基礎

Abaqus作為國際上最先進的大型通用有限元

計算分析軟件之一，可以進行結構的靜態和動態分析，具有豐富的單元模式，可以模擬廣泛的材料性能，使工程分析和優化設計更快更好，在本案例中的計算分析得到了令人滿意的結果。

1.1  分析模型的簡化

在工程實踐中，常存在這一樣類彈性力學問題具有如下特征：

（1）物體是柱體，且軸向尺寸比橫截面尺寸大很多；

（2）所有外力（體積力和表面力）都平行于橫截面作用，且沿軸向保持不變。

任取一個垂直于軸向（z方向）的橫截面，若軸向無限長，則該橫截面為對稱面，3個位移都應相對它對稱。因此，可以推斷位移分量應是：ux=ux(x,y),uy=uy(x,y),uz=0。由幾何方程可得，平面內應變分量εx、εy、γxy≠0且僅為xy的函數；平面外應變分量εx=γxz=γyz=0?？梢娮冃蝺H發生在與橫截面平行的平面內，因此這類問題稱之為平面應變問題?？赏茖У脩Ψ至?/span>σx、σy、τxy僅為xy的函數，而σz=ν(σx+σy)≠0，τzx=τzy=0。

對于圖1中的橡膠密封墊，顯然是可以由三維的空間問題簡化為二維的平面應變問題。

1.2  超彈性材料本構方程的選擇

針對橡膠這種超彈性材料，本文采用常用的兩參數Mooney-Rivlin材料模型來進行模擬。

對于大多數橡膠材料，在應變為150%以內時，采用兩參數Mooney-Rivlin材料模型可以得到合理的近似值。

2. 橡膠密封墊失效原因分析

圖2為某發動機開發過程中，缸蓋罩橡膠密封墊容易出現壓破碎問題。針對此現象，通過有限元分析該橡膠密封墊失效原因。

2.1  建立有限元模型

將橡膠密封墊簡化為平面應變問題，圖3為缸蓋罩、橡膠密封墊和缸蓋的截面處幾何模型，有兩種截面形式。

壓縮方向截面詳細尺寸見表1，可得橡膠密封墊壓縮距離為2.2-3mm。根據經驗，壓縮距離越大橡膠越容易失效，取最大壓縮距離3mm進行分析。

橡膠硬度(邵氏A型)為65±5，其Rivlin系數見表2。根據經驗，橡膠硬度越大橡膠越容易失效，取最大硬度70進行分析。

橡膠密封墊采用四邊形平面應變雜交單元（CPE4H）進行網格劃分，與缸蓋罩和缸蓋的接觸面簡化為解析剛體。約束缸蓋各方向平動和轉動自由度，缸蓋罩上施加向下3mm的強迫位移，密封墊和缸蓋、缸蓋罩之間定義為有限滑移接觸關系(finite sliding)，摩擦類型為庫侖摩擦，摩擦系數為0.1。有限元模型見圖4。

2.2分析結果與評估

密封壓力結果見圖5。在兩種截面處，橡膠密封墊與缸蓋罩、缸蓋的接觸壓力均大于1Mpa。在無介質壓力的情況下，能保證很好的密封效果。

Mises應力結果見圖6，應變結果見圖7。根據線性黏彈性理論假設，應力松弛率與瞬時應力成正比，在小應變情形下瞬時應力又與應變成正比。而蠕變和應力松弛現象是黏彈性特性的兩種表現方式。結果顯示橡膠密封墊產生了較大的應力和應變，會造成橡膠的應力松弛和蠕變，結構失效，失去原有的密封能力。

3. 優化方案分析

3.1  優化方案的提出

根據以上分析結果，由于橡膠密封墊、缸蓋和缸蓋罩的結構形式和材料已經不能更改，提出更改設計公差達到改變橡膠密封墊壓縮距離的優化方案，更改后截面詳細尺寸見表3，可得壓縮距離變為2.4-2.8mm。

3.2優化方案的分析與評估

針對優化方案，需要同時評估橡膠密封墊的密封能力和橡膠是否失效。因此，綜合橡膠密封墊最大/最小壓縮距離和橡膠最大/最小硬度，共計四種組合進行有限元分析，分析方法不變。

優化方案的密封壓力結果見圖8。對于兩種截面，在四種組合情況下，橡膠密封墊與缸蓋罩、缸蓋的接觸壓力均大于1Mpa。在無介質壓力的情況下，能保證很好的密封效果。

Mises應力結果見圖9，應變結果見圖10?？梢妰灮桨钢校鹉z密封墊的應力和應變顯著下降，產生應力松弛和蠕變的危險較小。

按照優化方案，修改工藝參數生產樣件并進行了試驗，該發動機缸蓋罩橡膠密封墊未出現壓破碎問題，密封性能也得到了保障。

4. 結束語

使用Abaqus軟件進行橡膠密封墊的二維有限元分析可以較準確地預測橡膠密封墊的接觸壓力、應力和應變的分布情況和數值，驗證橡膠密封墊性能，并且可以根據分析結果對橡膠密封墊進行結構優化設計，節省試驗費用，縮短開發周期。

由于橡膠失效機理較復雜，本文僅通過應力和應變的大小進行定性評估，后期有待深入探索。

（引用ABAQUS2014用戶論文集）

文章來源：有限元在線