O型橡膠密封圈因?yàn)閮r格便宜，制造簡單，功能可靠，并且安裝要求簡單，O形環(huán)是在機(jī)械設(shè)計中最常見的密封件。有限元模擬手段可以對O型橡膠密封圈的工況響應(yīng)做出正確的描述，為設(shè)計工程師針對O型橡膠密封圈的選擇與密封性能是否達(dá)標(biāo)提供理論依據(jù)。

一、問題描述

    如圖1所示，部件的剖面為部件裝配的最終狀態(tài)，支柱零件的高度與黑色樹脂件的自然高度一致，螺栓使鈑金板與支柱零件連接，鈑金板零件的卡位壓緊黑色樹脂件，樹脂件壓緊O型橡膠密封圈。關(guān)注問題：（1）O型橡膠密封圈壓縮狀態(tài)的接觸壓力；（2）鈑金板在橡膠圈的壓縮狀態(tài)，受力的形變量。

二、模型簡化處理     

有限元分析模擬就是將實(shí)際的工況問題用適當(dāng)?shù)哪Ｐ兔枋觥缀误w模型與分析軟件設(shè)置屬性、邊界條件一起用有限的單元網(wǎng)格來離散，構(gòu)建出一個數(shù)值計算模型。從實(shí)際分析的問題到一個合適、準(zhǔn)確的數(shù)值計算模型，就是模型的前處理。

                                    圖2

因?yàn)樯婕暗较鹉z材料的接觸變形，這是材料非線性、接觸、大形變的非線性分析類型問題。其次螺母的鎖緊過程是緩慢的，可以定性為靜態(tài)分析問題。如果直接運(yùn)用靜態(tài)非線性那么計算規(guī)模會很大。根據(jù)關(guān)注問題需要，可以設(shè)置兩個算例，一個靜態(tài)非線性分析得到密封圈接觸壓力、反作用力，如圖3所示。一個靜態(tài)線性算例分析鈑金的變形。根據(jù)分析關(guān)注信息與分析類型判斷選擇最終模型簡化如圖4所示。

 三、分析設(shè)定

    1.靜態(tài)非線性分析

    因?yàn)椴牧蠈傩裕Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，工況狀態(tài)360°圓周對稱。選擇軸對稱2D簡化算例，如圖5所示。

 2.材料屬性定義

    樹脂件、鋼板使用線性彈性各向同行材料模型，O型密封圈使用超彈性-Mooney Rivlin材料模型。

    Simulation提供超彈性材料模型用于為類橡膠材料建模，其中的解會涉及大變形。假設(shè)材料為非線性彈性、同向性且不可壓縮。這種材料的有限元素公式由于材料的不可壓縮性而計算困難。根據(jù)壓縮性在應(yīng)變能密度函數(shù)中的引入，可以使用一種懲罰方法將附加自由度組合到整體剛度矩陣中。引入懲罰函數(shù)后將應(yīng)變能函數(shù)從不可壓縮修改為接近不可壓縮。軟件提供支持超彈性-Mooney Rivlin、Ogden、Blatz-Ko模型。

    3.定義接觸條件

    選擇密封圈與兩零件直接為曲面到曲面的無穿透接觸，如圖6所示。

 4.邊界條件施加

    固定約束樹脂零件下邊線，鈑金零件施加位移約束是O型密封圈壓緊，如圖7所示。

                    圖7

5.網(wǎng)格劃分

    二階四面體實(shí)體單元，接觸區(qū)域應(yīng)用局部網(wǎng)格細(xì)化，如圖8所示。

                    圖8

6.分析屬性設(shè)置

    定義時間增量，啟用大型位移公式，選擇控制與迭代方法，設(shè)置步進(jìn)公差選擇及選擇解算器，如圖9所示。

 

                       圖9

    7.分析結(jié)果后處理

    提取應(yīng)力云圖，如圖10～14所示。

 

                    圖10

 

                    圖11

 

                    圖12

 

                    圖13

 

                    圖14

8.提取反作用力、接觸應(yīng)力

    提取反作用力和接觸應(yīng)力，如圖15、16所示。

 

 

                        圖15

 

                    圖16

9.線性靜態(tài)分析

    將提取反作用力、接觸應(yīng)力得到的反作用力作為已知載荷輸入到線性靜態(tài)分析算例，作為載荷邊界條件，同時不關(guān)注樹脂零件的形變可以定義3個樹脂件為剛性，如圖17～19所示。

 

 

                        圖17

 

                    圖18

 

                        圖19

四、結(jié)語

    （1）模型的簡化要準(zhǔn)確表達(dá)所關(guān)注問題，不要想著一個分析算例解決所有關(guān)注的問題，根據(jù)關(guān)注問題可以分步計算模擬，當(dāng)有限元計算的結(jié)果不能直接用來判斷所關(guān)注問題，是否可以找到分析得到的參數(shù)間接判斷問題；（2）材料模型的選擇要符合實(shí)際工況下材料的響應(yīng)變化；（3）針對O型橡膠密封圈的密封性能判斷可以根據(jù)密封圈壓縮狀態(tài)的接觸壓力值做判斷，接觸壓力大于密封區(qū)的壓力時可以起到密封要求。（4）提取非線性分析算例中的反作用力可以得到完全壓縮密封圈所需要的外力值。

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