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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(chēng)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。

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(rùn)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(duì)其密封性能有很大的影響，然而在實(shí)際壓縮試驗(yàn)過(guò)程中很難觀測(cè)到其受力變形的瞬態(tài)大變形行為。通過(guò)ABAQUS有限元分析可以得到橡膠圈的受力變形過(guò)程，對(duì)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。

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(duì)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.

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(jiǎn)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)。

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。 ?

隨著有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，作為先進(jìn)的非線性有限元軟件一ABAQUS已經(jīng)具備超彈性、粘彈性橡膠模型和體積不可壓縮材料大變形的有限元計(jì)算功能，這為橡膠減振器的有限元分析提供了極大的便利。

因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 在實(shí)驗(yàn)之前不能預(yù)先地對(duì)密封結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià),只能依賴(lài)于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),這顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代精確設(shè)計(jì)的要求。本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中橡膠密封墊密封問(wèn)題，利用大型有限元分析軟件Abaqus，建立有限元分析模型，驗(yàn)證了該橡膠密封墊的失效原因，校核了優(yōu)化方案的密封性能，為橡膠密封墊密封問(wèn)題提供了理論依據(jù)，使問(wèn)題得到了解決。

通過(guò)hypermesh建立有限元模型設(shè)置求解控制輸入到ANSYS進(jìn)行求解：

目前市面上的電池包中，主要有三大類(lèi)密封圈。分別是橡膠類(lèi)密封圈（材質(zhì)主要為EPDM、SBR）、膠黏劑類(lèi)（材質(zhì)主要為有機(jī)硅體系）、泡棉膠帶類(lèi)（材質(zhì)主要為發(fā)泡硅橡膠、聚氨酯等）。

當(dāng)密封件沒(méi)有溝槽限制時(shí)，可使用圖2左的模型進(jìn)行仿真分析，當(dāng)密封圈放置在溝槽時(shí)，采用圖2右的模型仿真進(jìn)行分析。 圖2.有限元模型 密封圈的材料為PTFE，在壓縮過(guò)程中存在塑性變形，采用雙線性等向硬化模型來(lái)表征材料的力學(xué)性能。 圖3.材料本構(gòu)模型 共設(shè)置兩對(duì)接觸：（1）蓋板與密封圈之間的接觸；（2）溝槽與密封圈之間的接觸。

密封圈是一種常用的密封元器件，具有制造簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械和宇航領(lǐng)域。由于橡膠材料具有超彈性能，當(dāng)受到較大外載時(shí)，表現(xiàn)出高度非線性的特性，往往使得密封圈的精確仿真求解十分困難。 ABAQUS 是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。

安裝時(shí)，O形密封圈在徑向或軸向的初始?jí)嚎s量，決定了O形密封圈的初始密封能力。系統(tǒng)壓力作用于O形密封圈所產(chǎn)生的力，就是其總的密封力；該密封力隨著系統(tǒng)壓力的升高而增大。在壓力作用下，O形圈的形狀和具有高表面張力的液體相仿。壓力朝各個(gè)方向等值傳遞。 O型圈的自封是有限的，當(dāng)內(nèi)壓過(guò)高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)O型圈的“膠料擠出”現(xiàn)象。

Marc 軟件，建立了密封條的三維仿真模型，分析了密封條的壓縮、起皺情況，得到密封力與關(guān)門(mén)速度關(guān)系；吳文濤等、陳敏等分別使用 Mooney-Rivlin 或 Ogden 模型對(duì)工程中常用的密封件如O型、+Y-型、唇形密封圈的材料屬性進(jìn)行了表征，同時(shí)利用<a href="/major/Abaqus 或Marc 軟件對(duì)其變形特性進(jìn)行了模擬；王勇 建立了密封條的幾何模型與橡膠材料模型，并確立了有限元分析的邊界條件

本案例是O型密封圈受流體壓力作用 問(wèn)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。

這樣，從實(shí)驗(yàn)中也只能獲得有限的信息，而從數(shù)值模擬中可以研究數(shù)百個(gè)變量，并且可以預(yù)測(cè)其行為，而不需要付出很大的代價(jià)。建立準(zhǔn)確的材料模型超彈性在任何有限元分析中，最重要的事情之一就是要對(duì)材料有一個(gè)很好的描述。橡膠是超彈性材料，他們可以承受很大的變形，而不發(fā)生塑性應(yīng)變。ABAQUS有幾種超彈性材料模型，可以捕捉大多數(shù)商業(yè)橡膠的響應(yīng)。描述模型的參數(shù)可以很容易地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和對(duì)比。

常有墊圈有：橡膠平墊圈、橡膠O形圈、塑料平墊圈、聚四氟乙烯包墊圈、石棉橡膠墊圈、金屬平墊圈、金屬異形墊圈、金屬包皮墊圈、波形墊圈、環(huán)繞糾纏墊圈等。 　　(1)橡膠平墊圈：變形容易，壓緊時(shí)不艱苦，但耐壓、耐溫能力都較差，只用于壓力低、溫度不高方。

(3)有限元分析方面，國(guó)內(nèi)從事橡塑密封有限元分析研究起步于21世紀(jì)初，目前能夠掌握橡塑密封有限元分析應(yīng)用軟件的單位很少，尤其是掌握高速PTFE油封有限元數(shù)值分析應(yīng)用軟件的單位更少，有限元分析軟件應(yīng)用水平相對(duì)較低，尚處于起步階段。(4)壽命驗(yàn)證方面，目前國(guó)內(nèi)的油封試驗(yàn)臺(tái)，最高轉(zhuǎn)速一般在10 000 r/min，油封唇口的線速度一般不超過(guò)30 m/s，與真正意義上的高速油封的線速度差距明顯。