流體密封仿真
關注創建者：Alex_27 創建時間：2018-07-27
流體密封仿真的視頻教程
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流體密封仿真的實例教程
在工業生產中，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。
展開 本文介紹了一種新的流體壓力滲透分析方法。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。壓力載荷施加在密封圈的整個邊界上，該邊界表示最終可以施加壓力的區域。在此過程中，壓力在滲透之前不會激活。這意味著它暴露在流體中。定義了一個初始滲透點，以指定流體壓力最初活躍的位置。從起點開始，通過沿邊界注壓直到接觸區域或負載末端來找到濕區。當負載在負載箱中激活時，就會發生這種壓力顯示。然后，隨著負載的增加，當接觸應力低于用戶定義的閾值時，滲透區將在接觸區下方生長。
這里有兩個效果。首先，隨著壓力載荷的增加，密封圈會膨脹并增加接觸壓力。其次，壓力載荷在接觸下滲入，降低了接觸壓力。如果第二種效應更大，密封圈就會泄漏。此過程可以用Marc2024.2版本進行實現。
壓力滲透的仿真探測過程：
a) 施加預載荷，壓縮橡膠密封圈；
b) 在初始浸濕表面上施加載荷，暴露于油壓時壓力激活；
c) 在部分滲透區域壓力下降；
d) 增加壓力；
e) 如果接觸壓力小于閾值；
f) 擴大滲透面 繼續迭代，直到滲透表面壓力達到最大面積，無法再繼續滲透。
圖3比較了兩種情況，其中唯一區別密封圈和端蓋接觸面寬度差異性，及密封壓縮量差異。接觸面寬度越大，密封圈端面和端蓋之間的間隙越小，密封效果越好。在第一幅圖中，密封圈中的壓力足夠高，可以防止泄漏，但在第二幅圖中間隙太大。
展開 本文介紹了一種新的流體壓力滲透分析方法。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。壓力載荷施加在密封圈的整個邊界上，該邊界表示最終可以施加壓力的區域。在此過程中，壓力在滲透之前不會激活。這意味著它暴露在流體中。定義了一個初始滲透點，以指定流體壓力最初活躍的位置。從起點開始，通過沿邊界注壓直到接觸區域或負載末端來找到濕區。當負載在負載箱中激活時，就會發生這種壓力顯示。然后，隨著負載的增加，當接觸應力低于用戶定義的閾值時，滲透區將在接觸區下方生長。這里有兩個效果。首先，隨著壓力載荷的增加，密封圈會膨脹并增加接觸壓力。其次，壓力載荷在接觸下滲入，降低了接觸壓力。如果第二種效應更大，密封圈就會泄漏。此過程可以用Marc2024.2版本進行實現。
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c) 在部分滲透區域壓力下降；
d) 增加壓力；
e) 如果接觸壓力小于閾值；
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展開 探索超彈性材料的特性
? 增強對大非線性變形的理解
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圖4 油壓與摩擦力矩的關系
圖5 滑動表面的油膜壓力分布
3、通過優化V形潤滑槽降低摩擦力矩的驗證
3.1 流體分析條件
摩擦力矩測量結果和滑動表面的油膜壓力分布顯示，出現在V形潤滑槽端部的力與由于油膜壓力(油膜反作用力)導致摩擦力矩降低的力方向相反。油膜反作用力越大，摩擦力矩越低。因此，可認為V形潤滑槽數量越多，寬度越寬，油膜反作用力越大。流體分析證實了這點。
分析用密封圈V形潤滑槽的長度、寬度、深度、角度以及間距的定義如圖6所示。密封圈尺寸為:外徑44 mm，厚度2 mm，寬度2.3 mm。基于流體分析對密封圈的1個V形潤滑槽的流體區域建模，并對由于流體動力效應產生的油膜壓力進行積分得到1個潤滑槽的油膜反作用力。將該力與槽數的乘積定義為1個密封圈的油膜反作用力，并進行了不同條件的比較。需注意的是，與V形潤滑槽的油膜壓力相比，密封圈側面與軸槽側壁接觸區的油膜壓力非常小，可忽略不計。在分析中為便于計算，滑動表面的油膜厚度假定為恒定值5 μm。工作條件設定為：ATF壓力0.6 MPa，溫度20 ℃，轉速1 000r/min。
圖6 密封圈的分析(24個槽)
3.2 流體分析結果
3.2.1 V形潤滑槽的數量
通過對一側有12和24個V形潤滑槽的密封圈進行流體分析，得到1個密封圈的油膜反作用力。V形潤滑槽的間距相同，12和24個槽的長度變化。
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