橡膠圈
關注創建者：液壓那些事 創建時間：2023-08-25
橡膠圈的視頻教程
ABAQUS分析VL型橡膠密封圈和O型橡膠密封圈
利用ABAQUS分別建立O型密封圈和VL組合密封圈有限元分析模型，計算在四種不同壓縮位移下，橡膠的應力和接觸壓力的分布，研究兩種密封圈的密封性能。
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ABAQUS案例-摩擦生熱及熱力耦合分析
在出現相對（摩擦）運動的工程問題中，相對（摩擦）運動會產生熱或溫度，例如對于橡膠或密封圈，此時熱或溫度會與結構應力相互耦合，因此需要進行多物理中的熱力耦合分析。本課程介紹了在ABAQUS中如何計算相對（摩擦）運動生熱及相應的熱力耦合分析。
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橡膠圈的實例教程
今天，我們就來一起探討一下如何利用ANSYS Workbench這一強大的有限元分析軟件，對典型的橡膠圈密封進行精確計算和分析。
一、模型介紹
我們構建的模型是一個圓柱形的軸對稱結構，通過取其截面進行模擬分析。這個模型由三部分組成：左側是固體部分，中間是橡膠圈，右側是剛性體。這種設計在很多工業設備中都能看到，其密封性能直接關系到設備的正常運行。
二、壓縮與加載
在模擬的初始階段，右側的剛性體會上移到指定位置，對橡膠圈進行壓縮。這一步是為了模擬實際安裝過程中橡膠圈的變形情況，確保其能夠適應密封槽的形狀。
結果如圖所示
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，我們關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、材料設置與接觸條件
橡膠材料的選擇至關重要，它直接影響到密封件的密封性能和耐用性。在模擬中，我們根據實際情況選擇了合適的橡膠材料，并設定了相應的物理參數。
與此同時，橡膠與固體、剛性體之間的接觸也被設定為摩擦接觸，摩擦系數設為0.1。為了更準確地模擬實際情況，我們還設置了每步更新剛度的選項，以確保模擬結果的準確性。
四、提高收斂性
在進行有限元分析時，有時會遇到不收斂的問題。這可能是由于模型設置、網格劃分或求解器參數等原因導致的。為了解決這個問題，提高收斂從下面來幾方面考慮
1.可以為模型嘗試添加keyopt,matid,6,1等參數來提高收斂性。
展開 1背景及意義
橡膠密封圈廣泛應用于密封結構中，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、形狀的設計及受力大小對其密封性能有很大的影響，然而在實際壓縮試驗過程中很難觀測到其受力變形的瞬態大變形行為。通過ABAQUS有限元分析可以得到橡膠圈的受力變形過程，對產品的設計及優化具有較大的幫助，也有利于縮短研發周期，降低經濟成本。
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。整個建模過程與后續的有限元分析中均采用統一的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平臺上全程進行的。運用Standard/Explicit分析模塊，之后進入Part模塊創建上述分析模型。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，橡膠本構已經很成熟了，選用超彈性Mooney-Rivlin本構，模具使用鋼鐵本構，輸入基本的物理參數即可。橡膠圈及鋼鐵本構參數分別如圖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橡膠圈本構參數
圖4模具本構參數
4結果與討論
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域云圖，此時，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應力云圖
5結論
本案例針對橡膠圈進行了一個簡單的大變形分析，從應力云圖來看，仿真結果很好模擬了橡膠圈在壓縮時候的大變形行為，后續可以單獨提取最大變形處的應力應變曲線等，對產品的設計有一定的參考意義。
展開 橡膠密封圈是一種最常見的密封件，它以其獨特的結構和性能優勢被廣泛應用于許多機械設備中，它可用于靜密封和往復運動的動密封。
密封圈在使用過程中是依靠橡膠本身的彈性來預先壓縮，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到密封。密封圈在溝槽內的接觸變形和密封界面上的接觸應力分布是影響其密封性能的重要參數。
橡膠密封圈性能是否可靠，在有限元分析中，判斷其最大等效應力是否小于材料屈服應力即可。采用Hypermesh、Abaqus軟件進行前處理和分析計算，結果一目了然。
MISES應力分析
密封圈的最大MISES應力2.255MPa
沿壓制方向，密封圈變形5mm
密封圈最大彈性主拉應變：36.26%
密封圈最大彈性主壓應變：43.28%
密封圈X方向最大彈性應變：34.69%
密封圈Y方向最大彈性應變：8.1%
密封圈Z方向最大彈性應變：34.69%
通過CAE仿真分析橡膠密封圈的應力變形，表明橡膠密封圈的變形量在安全范圍內，同時為進一步改進結構設計提供了理論依據，在提高零配件產品可靠性、降低產品的損壞率、壓縮成本方面起到了顯著的作用。
展開 O型橡膠密封圈因為價格便宜，制造簡單，功能可靠，并且安裝要求簡單，O形環是在機械設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做出正確的描述，為設計工程師針對O型橡膠密封圈的選擇與密封性能是否達標提供理論依據。
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，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。關注問題：（1）O型橡膠密封圈壓縮狀態的接觸壓力；（2）鈑金板在橡膠圈的壓縮狀態，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際的工況問題用適當的模型描述。幾何體模型與分析軟件設置屬性、邊界條件一起用有限的單元網格來離散，構建出一個數值計算模型。從實際分析的問題到一個合適、準確的數值計算模型，就是模型的前處理。
圖2
因為涉及到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，可以定性為靜態分析問題。如果直接運用靜態非線性那么計算規模會很大。根據關注問題需要，可以設置兩個算例，一個靜態非線性分析得到密封圈接觸壓力、反作用力，如圖3所示。一個靜態線性算例分析鈑金的變形。根據分析關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、分析設定
1.靜態非線性分析
因為材料屬性，結構的特點，工況狀態360°圓周對稱。
展開 本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習橡膠密封圈的三維模型處理
2、學習橡膠密封圈非線性接觸相關的接觸設置
3、學習非線性靜力學分析步的建立
4、學習橡膠密封圈非線性靜力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 橡膠密封圈非線性靜力學分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
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此項測試獲得的應力-應變響應，能極大提升模型在復雜多軸應力狀態下（例如：橡膠密封圈膨脹、橡膠減振器壓縮、輪胎胎面接地等工況）的預測精度。
為獲得這一關鍵數據，我司提供傳統16爪周向夾持與充氣式膨脹兩種等雙軸拉伸測試方法，可根據您的具體需求進行選擇。
二、尖端密封技術：杜絕低溫泄漏
密封失效是低溫閥門最常見的故障點，普通橡膠密封圈在低溫下會硬化收縮，失去彈性，從而引發介質泄漏，諾冠采用了專為極寒環境設計的特種聚合物密封件（如改性PTFE或全氟醚橡膠Kalrez?等），這些材料在液氮溫度下依然能保持良好的回彈性和密封性能，配合諾冠獨有的零泄漏結構設計，即使在高壓氣體或低溫液體的雙重考驗下，也能實現氣泡級密封，保障系統安全與環保合規。
三、高壓力耐受與可靠密封
作為專為高壓工況設計的產品，諾冠模擬信號高壓比例閥通常支持最高達420 bar的工作壓力，部分定制型號甚至可承受更高壓力，閥體采用高強度合金鋼或不銹鋼材質，并通過嚴格的密封設計（如金屬對金屬密封、氟橡膠O型圈等），確保在極端壓力與溫度條件下長期穩定運行，杜絕泄漏風險，同時產品通過IP65/IP67防護等級認證，適應粉塵、潮濕等惡劣工業環境。
該功能捕捉了流體被壓入橡膠密封圈和殼體間滲透效果，從而無需直接對流體進行建模。
該Marc仿真功能基于接觸壓力，并考慮了接觸面滲入流體的影響。流體壓力可以逐漸滲透到接觸表面下方，以模擬流體在壓力增加時的效果。
以下示例用于說明該過程。
如圖2所示的D形密封圈首先在安裝階段被壓縮，然后施加流體壓力。
如鋼線圈區域，共指派了十一層，并按照橡膠-內面層-橡膠-鋼線圈-橡膠-鋼線圈-橡膠-鋼線圈-橡膠-內面層-橡膠的排布方式賦予了該區域相應的截面屬性，每一層的厚度與旋轉角均與輪胎本身的定義保持一致，鋼線圈區域的復合層定義與層堆疊繪圖見表1與圖2所示。機輪其余區域的截面定義方式與鋼線圈類似。
無論是鋼板防塵蓋還是接觸式/非接觸式橡膠密封圈，都是防止外部污染物（灰塵、水汽）侵入和內部潤滑脂泄漏的關鍵部件。米思米不僅提供帶這些防護配置的軸承成品，其耗材庫中通常也包含可替換或備用的密封件/防塵蓋組件。當密封件老化失效需要更換時，用戶能快速找到與原設計匹配的規格，保障軸承的持續防護能力。
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習橡膠密封圈的三維模型處理
2、學習橡膠密封圈非線性接觸相關的接觸設置
3、學習非線性靜力學分析步的建立
4、學習橡膠密封圈非線性靜力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
該功能捕捉了流體被壓入橡膠密封圈和殼體間滲透效果，從而無需直接對流體進行建模。
該Marc仿真功能基于接觸壓力，并考慮了接觸面滲入流體的影響。流體壓力可以逐漸滲透到接觸表面下方，以模擬流體在壓力增加時的效果。
以下示例用于說明該過程。如圖2所示的D形密封圈首先在安裝階段被壓縮，然后施加流體壓力。
目前市面上的電池包中，主要有三大類密封圈。分別是橡膠類密封圈（材質主要為EPDM、SBR）、膠黏劑類（材質主要為有機硅體系）、泡棉膠帶類（材質主要為發泡硅橡膠、聚氨酯等）。
五、結果展示
經過模擬計算，我們得到了橡膠圈的位移結果圖。
從圖中可以清晰地看到橡膠圈在受到壓縮和流體壓力作用下的變形情況。這些結果為我們提供了寶貴的參考信息，有助于我們更好地理解和優化橡膠圈密封的設計。
