abaqus橡膠密封圈的案例
基于ABAQUS的橡膠密封圈大變形仿真分析
1背景及意義
橡膠密封圈廣泛應(yīng)用于密封結(jié)構(gòu)中，諸如金屬管道連接處的密封、混凝土框架橫梁之間的潤滑密封等。橡膠圈的材料選取、形狀的設(shè)計(jì)及受力大小對其密封性能有很大的影響，然而在實(shí)際壓縮試驗(yàn)過程中很難觀測到其受力變形的瞬態(tài)大變形行為。通過ABAQUS有限元分析可以得到橡膠圈的受力變形過程，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有較大的幫助，也有利于縮短研發(fā)周期，降低經(jīng)濟(jì)成本。
2模型建立
模型采用常用的橡膠材料與模具裝配模型，如圖1所示。整個(gè)建模過程與后續(xù)的有限元分析中均采用統(tǒng)一的mm單位制。
圖1 模型基本尺寸
3有限元分析
本案例的有限元分析是在ABAQUS 2017平臺(tái)上全程進(jìn)行的。運(yùn)用Standard/Explicit分析模塊，之后進(jìn)入Part模塊創(chuàng)建上述分析模型。建立的有限元模型如圖2所示。模型中主要涉及兩種材料模型，橡膠本構(gòu)已經(jīng)很成熟了，選用超彈性Mooney-Rivlin本構(gòu)，模具使用鋼鐵本構(gòu)，輸入基本的物理參數(shù)即可。橡膠圈及鋼鐵本構(gòu)參數(shù)分別如圖3、4所示。之后定義接觸及邊界條件完成有限元模型的前處理操作。
圖2有限元模型
圖3橡膠圈本構(gòu)參數(shù)
圖4模具本構(gòu)參數(shù)
4結(jié)果與討論
模型的后處理操作是在Abaqus/CAE的Visualization模塊，模型求解完成后對云圖只顯示材料填充區(qū)域云圖，此時(shí)，橡膠材料就從一開始的圓形被壓縮成類似于矩形的形狀，如圖5所示。
圖5應(yīng)力云圖
5結(jié)論
本案例針對橡膠圈進(jìn)行了一個(gè)簡單的大變形分析，從應(yīng)力云圖來看，仿真結(jié)果很好模擬了橡膠圈在壓縮時(shí)候的大變形行為，后續(xù)可以單獨(dú)提取最大變形處的應(yīng)力應(yīng)變曲線等，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。
展開 基于流體壓力的橡膠圈密封有限元仿真分析方法--ANSYS Workbench有限元分析方法--橡膠密封方法
在工業(yè)生產(chǎn)中，密封件的作用舉足輕重，尤其是在需要承受流體壓力的場合。今天，我們就來一起探討一下如何利用ANSYS Workbench這一強(qiáng)大的有限元分析軟件，對典型的橡膠圈密封進(jìn)行精確計(jì)算和分析。
一、模型介紹
我們構(gòu)建的模型是一個(gè)圓柱形的軸對稱結(jié)構(gòu)，通過取其截面進(jìn)行模擬分析。這個(gè)模型由三部分組成：左側(cè)是固體部分，中間是橡膠圈，右側(cè)是剛性體。這種設(shè)計(jì)在很多工業(yè)設(shè)備中都能看到，其密封性能直接關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)行。
二、壓縮與加載
在模擬的初始階段，右側(cè)的剛性體會(huì)上移到指定位置，對橡膠圈進(jìn)行壓縮。這一步是為了模擬實(shí)際安裝過程中橡膠圈的變形情況，確保其能夠適應(yīng)密封槽的形狀。
結(jié)果如圖所示
接下來，我們在橡膠圈的凹槽部分加載流體壓力。這些壓力會(huì)擠壓橡膠與固體、剛性體之間的接觸面，試圖在縫隙位置撐開接觸面。此時(shí)，我們關(guān)注的是接觸面的壓力分布情況，以此來判斷橡膠圈是否能夠提供完好的密封。
流體壓力加載采用命令的方式如下所示
三、材料設(shè)置與接觸條件
橡膠材料的選擇至關(guān)重要，它直接影響到密封件的密封性能和耐用性。在模擬中，我們根據(jù)實(shí)際情況選擇了合適的橡膠材料，并設(shè)定了相應(yīng)的物理參數(shù)。
與此同時(shí)，橡膠與固體、剛性體之間的接觸也被設(shè)定為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。為了更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，我們還設(shè)置了每步更新剛度的選項(xiàng)，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
四、提高收斂性
在進(jìn)行有限元分析時(shí)，有時(shí)會(huì)遇到不收斂的問題。這可能是由于模型設(shè)置、網(wǎng)格劃分或求解器參數(shù)等原因?qū)е碌摹?/span>
展開 致宇航員慘死的“O形密封圈”！ABAQUS橡膠制品仿真分析怎么做
摘要：橡膠密封圈在現(xiàn)代工業(yè)密封結(jié)構(gòu)中占有重要地位。密封件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響到整個(gè)密封系統(tǒng)的工作，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則在工作過程中就容易引起失效，即使是一個(gè)很不起眼的密封圈原件的損壞失效，也可以造成價(jià)值數(shù)百萬元甚至數(shù)億元的巨大損失，有時(shí)還可能造成不可挽回的環(huán)境污染和人員傷害等災(zāi)難性后果。
比如1971年，蘇聯(lián)聯(lián)盟11號飛船按程序啟動(dòng)制動(dòng)火箭，再返入大氣層時(shí)，返回艙和軌道艙分離。但連接兩艙的分離插頭分離后，返回艙的壓力閥門被震開，密封性能被破壞，艙內(nèi)壓強(qiáng)迅速減小，致使3名宇航員慘死在密封艙中；再如1986年1月28號，美國“挑戰(zhàn)者”號在執(zhí)行代號STS-51-L的第十次太空任務(wù)時(shí)，因?yàn)橛覀?cè)固態(tài)火箭助推器上面的一個(gè)僅僅價(jià)值數(shù)美元的O形密封圈失效，導(dǎo)致一連串的連鎖反應(yīng)，并且在升空后73秒時(shí)，爆炸解體墜毀，機(jī)上7名宇航員都在該次意外中罹難，直接經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)12億美元；又如我國火箭也曾因密封泄漏故障造成衛(wèi)星不能準(zhǔn)確入軌。
本文就以O(shè)形密封圈為例帶你學(xué)習(xí)橡膠制品仿真分析：
1、模型描述：
如圖1所示，簡易的管道連接示意圖，右圖為左圖的刨面圖。這樣我們可以清晰的到藍(lán)色部分為壓頭，金屬材質(zhì)；灰色部分為密封槽，金屬材質(zhì)；綠色部分為O形密封圈，橡膠材質(zhì)。
圖1 簡易的管道連接示意圖及其刨面圖
2、模型簡化
考慮到金屬材質(zhì)相對于橡膠材質(zhì)要硬度要高很多，一般金屬的楊氏模量為GPa級別，而橡膠的等效楊氏模量一般為MPa級別，所以相對于橡膠而言，金屬部分可以近似看作剛性部件，另外，針對本次仿真的目的而言，我們不關(guān)心金屬部分的受力或者形變，綜上原因，在有限元建模時(shí)可以將金屬部分設(shè)置為解析剛體。
展開 橡膠密封圈應(yīng)變分析案例，想了解橡膠產(chǎn)品有限元分析的一定要看！
橡膠密封圈是一種最常見的密封件，它以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于許多機(jī)械設(shè)備中，它可用于靜密封和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)密封。
密封圈在使用過程中是依靠橡膠本身的彈性來預(yù)先壓縮，給予密封表面一定的接觸，形成在接觸表面上的接觸壓力使其達(dá)到密封。密封圈在溝槽內(nèi)的接觸變形和密封界面上的接觸應(yīng)力分布是影響其密封性能的重要參數(shù)。
橡膠密封圈性能是否可靠，在有限元分析中，判斷其最大等效應(yīng)力是否小于材料屈服應(yīng)力即可。采用Hypermesh、Abaqus軟件進(jìn)行前處理和分析計(jì)算，結(jié)果一目了然。
MISES應(yīng)力分析
密封圈的最大MISES應(yīng)力2.255MPa
沿壓制方向，密封圈變形5mm
密封圈最大彈性主拉應(yīng)變：36.26%
密封圈最大彈性主壓應(yīng)變：43.28%
密封圈X方向最大彈性應(yīng)變：34.69%
密封圈Y方向最大彈性應(yīng)變：8.1%
密封圈Z方向最大彈性應(yīng)變：34.69%
通過CAE仿真分析橡膠密封圈的應(yīng)力變形，表明橡膠密封圈的變形量在安全范圍內(nèi)，同時(shí)為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，在提高零配件產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品的損壞率、壓縮成本方面起到了顯著的作用。
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ANSYS workbench 橡膠密封圈分析案例 ￥10
案例介紹了ANSYS workbench 橡膠密封圈接觸分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有的分析文件。
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接觸分析中的橡膠圈密封分析實(shí)例附帶TXT
教學(xué)視頻，接觸分析主要采用接觸向?qū)нM(jìn)行
過盈裝配分析.txt
密封圈分析命令流.txt
橡膠密封圈分析.zip
ANSYS workbench 橡膠密封圈非線性靜力學(xué)分析 ￥10
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會(huì)得到什么：
1、學(xué)習(xí)橡膠密封圈的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)橡膠密封圈非線性接觸相關(guān)的接觸設(shè)置
3、學(xué)習(xí)非線性靜力學(xué)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)橡膠密封圈非線性靜力學(xué)分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
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雙封封堵器橡膠密封圈的非線性分析
此案例是從（《ABAQUS有限元分析與案例精通--在海洋石油工程）書中的應(yīng)用重復(fù)得到，書中對橡膠密封部分的網(wǎng)格選取雜交單元可能有誤？進(jìn)行了修改。與需要橡膠部件的同學(xué)共享
基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡膠密封圈有限元模擬
O型橡膠密封圈因?yàn)閮r(jià)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(jì)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(jì)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。
圖1
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(gè)數(shù)值計(jì)算模型。從實(shí)際分析的問題到一個(gè)合適、準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算模型，就是模型的前處理。
圖2
因?yàn)樯婕暗?em>橡膠材料的接觸變形，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(jì)算規(guī)模會(huì)很大。根據(jù)關(guān)注問題需要，可以設(shè)置兩個(gè)算例，一個(gè)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(gè)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。
圖3
圖4
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。
展開 O型橡膠密封圈怎樣高效研磨拋光去除合模線、飛邊、毛刺？
在這個(gè)案例中，我們來討論一個(gè)橡膠密封圈去合模線、飛邊、毛刺的拋光工藝。這種O型密封圈的材質(zhì)有硅膠、ABS、丁晴膠、氟膠、鐵氟龍、橡膠等，拋光工藝是差不多的。
1. O型密封圈拋光前帶合模線及飛邊毛刺的狀態(tài)
材質(zhì)：
橡膠
外觀：
表面有合模線及飛邊，呈黑色。
外形：
O形，直徑大小不等，
另外也有帶棱形的圈。
尺寸：
Φ300*4mm。
拋光前工序：
注塑。
拋光后工序：
干燥包裝。
2. 研磨拋光需求：
表面光滑，無合模線。
去除表層飛邊、毛刺。
減少表面粗糙度，增加光澤度，提高光亮度。
3.
展開 橡膠材料超彈性本構(gòu)擬合以及密封圈初始壓縮量的考慮 ￥4.9
1、 密封圈設(shè)計(jì)中，首先要考慮的是密封圈的初始壓縮量是否滿足要求，考慮到在密封裝配中，當(dāng)壓緊件較薄弱時(shí)壓緊件也可能發(fā)生變形，因此密封圈的初始壓縮量不能簡單地依靠理論計(jì)算。
2、 帶密封圈的結(jié)構(gòu)在工作工程中，可能受到各類工況的作用，以整車零部件為例，可能有振動(dòng)、沖擊以及其他工況的作用，在這些載荷作用在密封結(jié)構(gòu)上時(shí)，密封圈的壓縮量會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，在密封圈設(shè)計(jì)前期就需要考慮在極限工況條件下，密封圈的壓縮量是否依舊能夠滿足要求。
3、 考慮到以上兩點(diǎn)因素，本文以簡單密封結(jié)構(gòu)展示密封圈初始壓縮量在abaqus軟件里的實(shí)現(xiàn)，不影響后續(xù)工況的加載，通過上述計(jì)算可以提取出密封圈的裝配力等結(jié)果。
4、 密封圈材料一般是橡膠，橡膠等不可壓縮材料一般要通過構(gòu)建超彈性本構(gòu)來進(jìn)行處理，本文展示了在abaqus軟件中通過實(shí)驗(yàn)測試參數(shù)對橡膠超彈性本構(gòu)的擬合。
附件為計(jì)算inp模型及操作重點(diǎn)步驟，感興趣的可以下載。
展開 
Abaqus在橡膠密封墊設(shè)計(jì)中的工程化應(yīng)用
結(jié)果顯示橡膠密封墊產(chǎn)生了較大的應(yīng)力和應(yīng)變，會(huì)造成橡膠的應(yīng)力松弛和蠕變，結(jié)構(gòu)失效，失去原有的密封能力。
3. 優(yōu)化方案分析
3.1 優(yōu)化方案的提出
根據(jù)以上分析結(jié)果，由于橡膠密封墊、缸蓋和缸蓋罩的結(jié)構(gòu)形式和材料已經(jīng)不能更改，提出更改設(shè)計(jì)公差達(dá)到改變橡膠密封墊壓縮距離的優(yōu)化方案，更改后截面詳細(xì)尺寸見表3，可得壓縮距離變?yōu)?.4-2.8mm。
3.2優(yōu)化方案的分析與評估
針對優(yōu)化方案，需要同時(shí)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(jì)四種組合進(jìn)行有限元分析，分析方法不變。
優(yōu)化方案的密封壓力結(jié)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(zhì)壓力的情況下，能保證很好的密封效果。
Mises應(yīng)力結(jié)果見圖9，應(yīng)變結(jié)果見圖10。可見優(yōu)化方案中，橡膠密封墊的應(yīng)力和應(yīng)變顯著下降，產(chǎn)生應(yīng)力松弛和蠕變的危險(xiǎn)較小。
按照優(yōu)化方案，修改工藝參數(shù)生產(chǎn)樣件并進(jìn)行了試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋罩橡膠密封墊未出現(xiàn)壓破碎問題，密封性能也得到了保障。
4. 結(jié)束語
使用Abaqus軟件進(jìn)行橡膠密封墊的二維有限元分析可以較準(zhǔn)確地預(yù)測橡膠密封墊的接觸壓力、應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況和數(shù)值，驗(yàn)證橡膠密封墊性能，并且可以根據(jù)分析結(jié)果對橡膠密封墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，縮短開發(fā)周期。
由于橡膠失效機(jī)理較復(fù)雜，本文僅通過應(yīng)力和應(yīng)變的大小進(jìn)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
展開 ABAQUS案例 | O型橡膠密封環(huán)受壓
本案例是O型密封圈受流體壓力作用
問題描述
受流體壓力作用；結(jié)構(gòu)形態(tài)分布如下圖所示，密封圈以橡膠建模，其余以解析剛體建模。
材料信息
Rubber；Mooney-Rivlin；c10：3.6MPa；C01：3.87MPa；D：0.001；
工作目錄
選擇
File > Set Work Directory
設(shè)定工作目錄
幾何模組
自行建模并分割橡膠圈如下，注意建參考點(diǎn)“RP”
屬性模組
只給橡膠賦予材料
裝配模組
分析步模組
分析程序會(huì)選擇使用
Static, General
。共包含三個(gè)分析步，
第一個(gè)分析步：求解干涉；第二個(gè)分析步：外殼上移；第三個(gè)分析步：施加壓力。
開啟幾何非線性。增量類型設(shè)置為Fixed，增量大小為0.01。
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