流體密封仿真的案例
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(chǎng)合。今天，我們就來(lái)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(duì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(duì)橡膠圈進(jìn)行壓縮。這一步是為了模擬實(shí)際安裝過(guò)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(lái)，我們?cè)谙鹉z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(kāi)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(lái)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(wèn)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(kāi) 設(shè)計(jì)仿真 | Marc流體壓力密封滲透功能
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(wú)需直接對(duì)流體進(jìn)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(shí)的效果。
以下示例用于說(shuō)明該過(guò)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(gè)邊界上，該邊界表示最終可以施加壓力的區(qū)域。在此過(guò)程中，壓力在滲透之前不會(huì)激活。這意味著它暴露在流體中。定義了一個(gè)初始滲透點(diǎn)，以指定流體壓力最初活躍的位置。從起點(diǎn)開(kāi)始，通過(guò)沿邊界注壓直到接觸區(qū)域或負(fù)載末端來(lái)找到濕區(qū)。當(dāng)負(fù)載在負(fù)載箱中激活時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種壓力顯示。然后，隨著負(fù)載的增加，當(dāng)接觸應(yīng)力低于用戶定義的閾值時(shí)，滲透區(qū)將在接觸區(qū)下方生長(zhǎng)。
這里有兩個(gè)效果。首先，隨著壓力載荷的增加，密封圈會(huì)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(yīng)更大，密封圈就會(huì)泄漏。此過(guò)程可以用Marc2024.2版本進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
壓力滲透的仿真探測(cè)過(guò)程：
a) 施加預(yù)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(shí)壓力激活；
c) 在部分滲透區(qū)域壓力下降；
d) 增加壓力；
e) 如果接觸壓力小于閾值；
f) 擴(kuò)大滲透面 繼續(xù)迭代，直到滲透表面壓力達(dá)到最大面積，無(wú)法再繼續(xù)滲透。
圖3比較了兩種情況，其中唯一區(qū)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(kāi) 設(shè)計(jì)仿真 | Marc流體壓力密封滲透功能
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(wú)需直接對(duì)流體進(jìn)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(shí)的效果。
以下示例用于說(shuō)明該過(guò)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(gè)邊界上，該邊界表示最終可以施加壓力的區(qū)域。在此過(guò)程中，壓力在滲透之前不會(huì)激活。這意味著它暴露在流體中。定義了一個(gè)初始滲透點(diǎn)，以指定流體壓力最初活躍的位置。從起點(diǎn)開(kāi)始，通過(guò)沿邊界注壓直到接觸區(qū)域或負(fù)載末端來(lái)找到濕區(qū)。當(dāng)負(fù)載在負(fù)載箱中激活時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種壓力顯示。然后，隨著負(fù)載的增加，當(dāng)接觸應(yīng)力低于用戶定義的閾值時(shí)，滲透區(qū)將在接觸區(qū)下方生長(zhǎng)。這里有兩個(gè)效果。首先，隨著壓力載荷的增加，密封圈會(huì)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(yīng)更大，密封圈就會(huì)泄漏。此過(guò)程可以用Marc2024.2版本進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
壓力滲透的仿真探測(cè)過(guò)程：
a) 施加預(yù)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(shí)壓力激活；
c) 在部分滲透區(qū)域壓力下降；
d) 增加壓力；
e) 如果接觸壓力小于閾值；
f) 擴(kuò)大滲透面 繼續(xù)迭代，直到滲透表面壓力達(dá)到最大面積，無(wú)法再繼續(xù)滲透。
圖3比較了兩種情況，其中唯一區(qū)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。在流體壓力增加過(guò)程中，接觸壓力降至閾值以下，密封圈開(kāi)始泄漏（流體壓力在密封圈的兩側(cè)）。
展開(kāi) 基于流體壓力的O型圈密封仿真 ￥5
探索超彈性材料的特性
? 增強(qiáng)對(duì)大非線性變形的理解
? 了解軸對(duì)稱建模的工作原理
? 了解流體滲透壓力的應(yīng)用
通過(guò)流體分析驗(yàn)證低摩擦力矩密封圈
圖4 油壓與摩擦力矩的關(guān)系
圖5 滑動(dòng)表面的油膜壓力分布
3、通過(guò)優(yōu)化V形潤(rùn)滑槽降低摩擦力矩的驗(yàn)證
3.1 流體分析條件
摩擦力矩測(cè)量結(jié)果和滑動(dòng)表面的油膜壓力分布顯示，出現(xiàn)在V形潤(rùn)滑槽端部的力與由于油膜壓力(油膜反作用力)導(dǎo)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(rèn)為V形潤(rùn)滑槽數(shù)量越多，寬度越寬，油膜反作用力越大。流體分析證實(shí)了這點(diǎn)。
分析用密封圈V形潤(rùn)滑槽的長(zhǎng)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(duì)密封圈的1個(gè)V形潤(rùn)滑槽的流體區(qū)域建模，并對(duì)由于流體動(dòng)力效應(yīng)產(chǎn)生的油膜壓力進(jìn)行積分得到1個(gè)潤(rùn)滑槽的油膜反作用力。將該力與槽數(shù)的乘積定義為1個(gè)密封圈的油膜反作用力，并進(jìn)行了不同條件的比較。需注意的是，與V形潤(rùn)滑槽的油膜壓力相比，密封圈側(cè)面與軸槽側(cè)壁接觸區(qū)的油膜壓力非常小，可忽略不計(jì)。在分析中為便于計(jì)算，滑動(dòng)表面的油膜厚度假定為恒定值5 μm。工作條件設(shè)定為：ATF壓力0.6 MPa，溫度20 ℃，轉(zhuǎn)速1 000r/min。
圖6 密封圈的分析(24個(gè)槽)
3.2 流體分析結(jié)果
3.2.1 V形潤(rùn)滑槽的數(shù)量
通過(guò)對(duì)一側(cè)有12和24個(gè)V形潤(rùn)滑槽的密封圈進(jìn)行流體分析，得到1個(gè)密封圈的油膜反作用力。V形潤(rùn)滑槽的間距相同，12和24個(gè)槽的長(zhǎng)度變化。
展開(kāi) 關(guān)于橡膠密封有限元的隨想（結(jié)構(gòu)，無(wú)流體）
橡膠密封的難點(diǎn)：
1、材料；2、接觸；3、大變形；4、網(wǎng)格的質(zhì)量
如何解決：
1：材料
對(duì)于材料，我發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上關(guān)于橡膠有限元仿真參數(shù)的論文，絕大部分都是以mooney-rivlin等擬合參數(shù)代入的，如果是恒溫或者只要求結(jié)構(gòu)計(jì)算的話，沒(méi)有問(wèn)題，但如果涉及到溫度變化，精度就會(huì)和實(shí)際相差較多。
如果有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的橡膠參數(shù)就盡量用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吧，如果沒(méi)有，就只能這樣將就著。
2：接觸
我推薦abaqus和hypermesh兩個(gè)軟件，ansys也不是不行，但ansys的收斂性穩(wěn)定性設(shè)置和操作對(duì)初學(xué)者很不友好。abaqus的收斂操作比較容易上手，找到的例子也比較多，可以進(jìn)行參考。hypermesh是對(duì)前處理的操作，網(wǎng)格質(zhì)量如果做好，那么再導(dǎo)入到abaqus進(jìn)行后處理計(jì)算將會(huì)省去很多因網(wǎng)格而導(dǎo)致的收斂問(wèn)題（全部高質(zhì)量的六面體最好）。
3，4有時(shí)間再寫
其他資料，有時(shí)間再分享
展開(kāi) 主密封系統(tǒng)中帶彈簧金屬C形環(huán)的密封性能數(shù)值仿真 ￥1500
在一些主密封系統(tǒng)中，可以使用帶有彈簧的金屬C形環(huán)（也稱為彈性環(huán)）作為密封元件。這種密封元件由金屬材料制成，呈C形狀，具有一定的彈性。帶彈簧的金屬C形環(huán)適用于靜態(tài)密封或低速旋轉(zhuǎn)密封應(yīng)用。它們通常用于密封液體或氣體介質(zhì)，可以在高溫、高壓或有腐蝕性環(huán)境中使用。對(duì)于需要有一定彈性和壓縮能力的密封場(chǎng)景，金屬C形環(huán)可以提供較好的密封性能。金屬C形環(huán)的結(jié)構(gòu)使其能夠適應(yīng)不同的密封面形狀和尺寸。它們通常使用手工或機(jī)械方式壓縮并將其安裝在密封面之間。在安裝后，彈性環(huán)將產(chǎn)生一定的壓力，形成一個(gè)密封接觸面，以防止介質(zhì)泄漏。
本案例建立了一主密封系統(tǒng)帶彈簧的金屬C形環(huán)，為提高仿真效率，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，取了模型的一部分進(jìn)行分析，數(shù)值仿真計(jì)算得到系統(tǒng)的密封過(guò)程，仿真結(jié)果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
展開(kāi) 快樂(lè)學(xué)習(xí)，用流體知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題（3）---密封同心圓柱傳熱
這次將一個(gè)稍微有難度的問(wèn)題
如果有同學(xué)看過(guò)熱力學(xué)的書籍，應(yīng)該看過(guò)這個(gè)命題
在《傳熱與傳質(zhì)原理》一書中對(duì)封閉空間的同心圓柱自然對(duì)流散熱問(wèn)題進(jìn)行闡述，請(qǐng)見(jiàn)圖示1
幾何：solidworks中建立，小圓柱直徑：10mm，外圓柱直徑：50mm，外圓柱厚度：2mm
網(wǎng)格：正交型網(wǎng)格 網(wǎng)格數(shù)量6W
分析軟件：這次分析軟件沒(méi)有用fluent,或者cfx，而是用了flowsimulation
軟件設(shè)置就不詳細(xì)講了。重力模型，不考慮輻射，體熱源直接設(shè)置固定的溫度等等
分析兩種情況，一種情況是里面的圓柱溫度高，外面的圓柱溫度低。
流動(dòng)類型跟書中的簡(jiǎn)圖方向一致。
第二種情況是外面熱，里面冷得情況，那么內(nèi)部的流動(dòng)箭頭 應(yīng)該剛好相反。
通過(guò)這個(gè)模擬，還可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)書中理論并不詳盡，通過(guò)模擬還有新的發(fā)現(xiàn)。
展開(kāi) FLUENT仿真精典案例#351-螺旋槽干氣密封仿真 ￥500
FLUENT仿真精典案例#351-螺旋槽干氣密封仿真
01 案例介紹
本例對(duì)干氣密封氣膜，進(jìn)行fluent模擬，模型如下圖。模型參數(shù)略過(guò)。需通過(guò)模擬了解：剛度K、泄漏量q、氣膜推力（開(kāi)啟力）F、壓力沿徑向的分布。
02 網(wǎng)格情況
ICEM結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，1/12周期網(wǎng)格（可生成整體網(wǎng)格），如下兩圖。因模型前尖角存在，最小網(wǎng)格質(zhì)量0.168（后續(xù)仿真能收斂）。
設(shè)計(jì)仿真 | Marc軟件助力塔塔汽車團(tuán)隊(duì)克服橡膠密封仿真
因此，塔塔汽車公司決定使用Marc軟件來(lái)克服橡膠密封仿真的問(wèn)題。
Marc有助于預(yù)測(cè)車門開(kāi)啟和關(guān)閉工況的車門密封件的性能。基于上述仿真的置信度，進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，以評(píng)估密封件其他參數(shù)的靈敏度，例如：密封件厚度、球部直徑、接觸表面之間的間隙和材料特性。
接下來(lái)，在仿真中捕捉密封的裝配順序。Marc仿真結(jié)果提供了關(guān)于密封變形、接觸長(zhǎng)度、閉合力、CLD曲線和密封件在車身面板上安裝力的關(guān)鍵解析。這些參數(shù)很重要，因?yàn)樗鼈冇绊戃囬T密封性能的各種功能。
車門密封仿真結(jié)果
客戶受益
校驗(yàn)結(jié)果顯示分析結(jié)果和物理測(cè)試數(shù)據(jù)有很好的一致性。這些結(jié)果有助于確定主要參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)漏水、風(fēng)噪、開(kāi)門/關(guān)門作用力的影響。在早期設(shè)計(jì)階段獲得這些關(guān)鍵解析有助于降低成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。
有了Marc軟件，團(tuán)隊(duì)以四倍速度完成仿真，并且是現(xiàn)有仿真效率的兩倍。
海克斯康設(shè)計(jì)仿真團(tuán)隊(duì)和塔塔汽車團(tuán)隊(duì)攜手合作攻克項(xiàng)目并快速找到解決問(wèn)題的方案。總體而言，團(tuán)隊(duì)能夠滿足既定的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期時(shí)間表。
在未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)也計(jì)劃采用類似的方法設(shè)計(jì)車門密封系統(tǒng)。這同樣適用于其它仿真，如車門GRM和天窗密封條。
展開(kāi) 異型密封圈計(jì)算泄漏量與參數(shù)化優(yōu)化過(guò)程仿真（帶仿真文件） ￥35
擋砂瓣尖端接觸間隙為0.000129 mm
仿真源文件見(jiàn)以下內(nèi)容
流體仿真計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、ANSYS有限元分析，仿真分析培訓(xùn)，流體、結(jié)構(gòu)類輔材供應(yīng)
業(yè)務(wù)方向：流體仿真計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、ANSYS有限元分析，仿真分析培訓(xùn)，流體、結(jié)構(gòu)類輔材供應(yīng)。
聯(lián)系電話：王經(jīng)理 15900979745
密封圈接觸變形仿真 ￥500
<p>密封圈常應(yīng)用于結(jié)構(gòu)裝配之間的密封，包括了軸、超彈體和法蘭等相關(guān)組件中。密封圈的密封性能取決于密封圈和接觸構(gòu)件之間的接觸壓力，當(dāng)密封圈周圍的液體壓力差超過(guò)接觸所提供的抵抗力時(shí)，發(fā)生泄漏，密封圈失效。本案例仿真了密封圈接觸變形及變形回復(fù)過(guò)程，模擬結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202110/97c5e68e339e4619bcba887dc372e416.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p>感興趣的朋友可以下載模型，也可以加我，歡迎交流</p><p><br></p>
展開(kāi) 橡膠靴密封非線性仿真 ￥5
雖然你在日常生活中可能看不到它們，但橡膠靴密封條在許多工業(yè)應(yīng)用中被用來(lái)保護(hù)兩體之間的柔性接合處。在汽車行業(yè)中，橡膠套封條覆蓋傳動(dòng)軸上的恒速接頭，以保護(hù)其免受外部損害。這是一個(gè)完美的模擬示例，用牛頓-拉夫森方法來(lái)展示幾何形狀、材料和接觸非線性。
橡膠靴形密封件在許多工業(yè)應(yīng)用中用于保護(hù)柔性接頭
在兩個(gè)物體之間。在汽車行業(yè)中，橡膠防塵罩密封件持續(xù)覆蓋著
驅(qū)動(dòng)軸上的速度接頭，用于保護(hù)其免受外部因素（如灰塵）的影響，潮濕、泥濘等環(huán)境。
這些橡膠靴的設(shè)計(jì)旨在適應(yīng)這些環(huán)境關(guān)節(jié)的最大可能擺動(dòng)角度，以及補(bǔ)償軸長(zhǎng)變化。這個(gè)橡膠靴密封件的例子展示了幾何非線性（大應(yīng)變）以及大變形）、非線性材料行為（橡膠）和狀態(tài)變化
非線性（接觸）
展開(kāi) 電池包涉水沖擊工況密封結(jié)構(gòu)仿真評(píng)估（近期推出視頻課程） ￥8.88
主要有兩種失效形式：1、塑料件電池包密封蓋受水沖擊發(fā)生變形甚至破裂失效；2、電池包密封結(jié)構(gòu)受水沖擊滲水失效。對(duì)于上述的失效形式一，基于LSDYNA ALE算法開(kāi)發(fā)了一種電池包涉水沖擊雙向流固耦合仿真方法，可用于評(píng)估電池包涉水沖擊場(chǎng)景中水的流動(dòng)狀態(tài)及密封蓋應(yīng)力狀態(tài)；對(duì)于上述的失效形式二，引入LSDYNA與STAR CCM+聯(lián)合仿真，開(kāi)發(fā)了正向判定電池包密封結(jié)構(gòu)滲水失效的方法。
