徑向單柱塞泵o型橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠密封的軸對稱有限元分析

徑向單柱塞泵o型橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠橡膠密封的軸對稱有限元分析

o型橡膠密封具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、制造簡單、安裝方便等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于汽車、動力機械和液體自行車機械等領(lǐng)域。這是一種適應(yīng)性強的密封。一般來說，在一定條件下，它具有良好的尺寸穩(wěn)定性和長期的尺寸彈性。主要用于靜壓和徑向軸向的靜壓，以及在速度和壓力下的動壓。國內(nèi)研究者采用不同的方法對O型圈進行了有限元力學(xué)分析,得出了不同條件下的應(yīng)力分布情況。左正興等采用ANSYS軟件對橡膠圈進行了研究,得出了無油壓和0.5MPa油壓下O型圈的變形圖,求出了O型圈與軸、孔之間的具體接觸壓力,并繪出了幾種不同型號的O型圈在無油壓時壓縮率和最大接觸壓力的變化曲線。穆志韜等利用ANSYS軟件對O型圈進行了分析,得出了不同壓縮率情況下,油壓分別為0、5、7MPa時,O型圈和密封槽接觸界面上接觸應(yīng)力的分布。陳國定等利用大型有限元軟件MSC.Mark/MENTAT對O型圈安裝狀態(tài)和油壓為6.8MPa情況下的力學(xué)性能進行了分析,求得了軸和密封接觸面上的接觸壓力分布。在現(xiàn)有的文獻中,國內(nèi)研究者只分析了O型圈在較低油壓情況下的變形和受力情況,然而徑向柱塞泵一般都在高壓下工作,高壓環(huán)境對O型密封圈各方面性能的要求較高,按傳統(tǒng)經(jīng)驗選擇和安裝不當(dāng)容易造成密封圈在工作中失效,因而對柱塞泵用O型密封圈進行有限元仿真分析,具有很重要的研究價值。在高壓下,由于橡膠大變形的復(fù)雜非線性和接觸問題存在,有限元軟件計算很難實現(xiàn)收斂,因而很難得出十分正確的結(jié)果,作者也僅限于對中高壓情況下O型密封圈的變形和受力情況進行初步分析與研究。1復(fù)雜理論研究難模擬由于橡膠密封件的密封計算涉及到固體力學(xué)、摩擦學(xué)、高分子材料學(xué)以及制造工藝等多方面的理論知識,因此要對其進行精確研究在理論上存在困難,難以全真模擬。隨著計算技術(shù)和計算機技術(shù)的普及和發(fā)展,有限元分析方法已逐步應(yīng)用到密封件的設(shè)計當(dāng)中。現(xiàn)簡要介紹密封結(jié)構(gòu)中的三重非線性和為簡化問題的研究進行的基本假設(shè)。1.1橡膠材料本構(gòu)關(guān)系的關(guān)系O型密封圈是一種擠壓型密封件,靠預(yù)壓縮后產(chǎn)生的回彈力給密封接觸面一定的壓力,達到密封目的。橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系一般是非線性的,只有在小應(yīng)變時,可近似看成是線性的。在密封結(jié)構(gòu)中,橡膠材料在受力下的位移和變形關(guān)系已經(jīng)超出了線性理論的范疇,屬于幾何非線性問題。1.2超彈性體非線性本構(gòu)模型目前工程上主要是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ),O型橡膠密封圈的材料被抽象為超彈性近似不可壓縮體,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為復(fù)雜的非線性。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了基于統(tǒng)計熱力學(xué)的Heo-Hookean應(yīng)變能函數(shù)、指數(shù)-雙曲(exponential-hyperbolic)法則以及基于連續(xù)體表象學(xué)方法的Mooney-Rivlin、Klosenr-Segal模型和Ogden-Tschoegl模型。在ANSYS程序中,用Mooney-Rivlin模型來描述不可壓縮橡膠類材料的超彈性特性,分為2、5、9個材料參數(shù)的模型。作者采用含2個材料參數(shù)的Mooney-Rivlin模型,其應(yīng)變能函數(shù)為:式中:I1、I2為應(yīng)變張量的2個主不變量;C10、C01為Mooney-Rivlin常數(shù)。材料常數(shù)C10和C01可由實驗獲得的經(jīng)驗公式,根據(jù)橡膠材料的硬度(或彈性模量)計算得出。文中使用的C10和C01分別為1.87和0.47MPa。1.3接觸問題的有限元分析方法接觸問題的復(fù)雜性在于系統(tǒng)接觸狀態(tài)的不確定性,故接觸問題又被稱為是廣泛存在于工程實際的一個復(fù)雜的狀態(tài)非線性問題。O型密封圈與柱塞和柱塞泵泵體的接觸是高度非線性行為,屬于剛體和柔性體的面面接觸。隨著力學(xué)理論、計算數(shù)學(xué)以及計算機技術(shù)的發(fā)展,各國學(xué)者提出了許多接觸問題的有限元算法,如直接約束法、子結(jié)構(gòu)法、罰單元法等。其中罰單元法就是在兩接觸面的各個節(jié)點之間建立一種偽單元來模擬面與面之間的接觸。鑒于罰單元法描述問題的方便性,作者也采用罰單元法。1.4接觸對模型的建立(1)O型密封圈材料具有確定的彈性模量E和泊松比μ。(2)O型密封圈材料拉伸與壓縮的蠕變性質(zhì)相同。(3)忽略液壓油溫度變化對密封圈的影響。(4)由于柱塞泵泵體和柱塞的材料均為40Cr,其硬度為橡膠的幾萬倍,可以不考慮其變形,即視為O型密封圈變形時的邊界約束。(5)O型密封圈受到的壓縮視為由柱塞泵體約束邊界的指定位移引起。(6)蠕變不引起體積變化。O型橡膠密封圈的尺寸為O-Ring4mm×3mm(GB3452.1-1992),材料為腈基丁二烯橡膠(NBR),硬度為IRHD(國際橡膠硬度等級)85。由于O型密封圈結(jié)構(gòu)邊界條件的復(fù)雜性,故將密封圈以及密封結(jié)構(gòu)的軸、孔作為整體進行分析。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件、密封圈的材料特性和載荷的對稱性,將其簡化為二維平面軸對稱模型。由于柱塞和柱塞泵泵體的硬度遠遠大于O型密封圈的硬度,故將其作為剛體考慮,為了進一步簡化模型,剛體均用直線代表平面。在有限元分析模型中,橡膠單元采用超彈性單元HYPER182,接觸對由接觸單元CONTA172和目標單元TARGE169配對組成(虛擬單元,未顯示)。建立接觸對時按照有限元接觸分析中接觸對的定義準則確定密封圈作為接觸體,柱塞和柱塞泵泵體作為目標體。約束施加是在柱塞泵泵體的x方向施加一個負向位移,視為壓縮量,柱塞泵泵體的y方向和柱塞的x、y方向的位移都定義為0。其二維平面軸對稱模型如圖1所示,擴展后的1/2三維立體模型如圖2所示。建模過程中省略了部分柱塞和柱塞泵材料,但是這并不影響計算分析,因為O型密封圈最易受損和失效的關(guān)鍵部位主要在接觸面附近。求解時按照2個載荷步進行求解,由柱塞泵泵體施加的作為壓縮量的x負方向位移定義為第一個載荷步,施加在未與密封槽接觸一側(cè)的用來模擬密封圈受到的外加液壓油壓力定義為第二個載荷步。模型幾何尺寸如下:柱塞溝槽底直徑4mm;柱塞溝槽深度2mm;O型密封圈線徑3mm;2圈的劃分和工作油壓法作者利用ANSYS有限元軟件分析了在不同的壓縮量和工作油壓下O型橡膠密封圈的變形和受力情況。由于篇幅所限,作者主要分析在工作油壓為5MPa情況下,壓縮量分別為0.4、0.5、0.6mm時,密封圈截面節(jié)點上的范·米塞斯(VonMises)應(yīng)力分布圖(如圖5所示)。其他情況下的最大應(yīng)力值將通過表格列出。范·米塞斯(VonMises)應(yīng)力σ={[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/2}12,其中,σ1、σ2、σ3為單元體3個方向上的主應(yīng)力。它是正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的組合,是一種等效應(yīng)力,常用來描繪聯(lián)合作用的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),它遵循材料力學(xué)第四強度理論(形狀改變比能理論),它的大小反映了密封圈截面上各主應(yīng)力差值的大小,一般來講,應(yīng)力值越大的區(qū)域,材料越容易出現(xiàn)裂紋,從而使密封圈發(fā)生撕裂破壞。此外,應(yīng)力越大,將加速橡膠材料的松弛,從而造成剛度下降。從圖3中可以看出:在工作油壓一定的情況下,隨著壓縮量的增加,O型密封圈截面的最大范·米塞斯(VonMises)應(yīng)力值也隨之增大,并且范·米塞斯(VonMises)應(yīng)力峰區(qū)的位置發(fā)生了變化,但主要分布在密封溝槽口附近,該附近區(qū)域也是最容易發(fā)生撕裂破壞的區(qū)域。從表1可以看出,在壓縮量一定時,隨著工作油壓的增加,最大范·米塞斯(VonMises)應(yīng)力值也相應(yīng)增加,所以在設(shè)計和選擇密封圈時,應(yīng)特別注意其應(yīng)力峰區(qū)分布區(qū)域,盡量避免O型圈發(fā)生撕裂破壞而導(dǎo)致失效。圖4所示為壓縮量取0.6mm,工作油壓分別為0、5、10、15MPa情況下密封圈截面的剪切應(yīng)力分布情況。其他各種情況下的最大剪切應(yīng)力值(取絕對值)將通過表格列出。從表2可以看出,O型密封圈截面的最大剪切應(yīng)力值(取絕對值)隨著壓縮量和工作油壓的增加而增加,并且剪切應(yīng)力峰區(qū)主要分布在密封溝槽口附近區(qū)域,其最大值始終小于O型密封圈橡膠材料的抗剪強度,不發(fā)生失效損壞。從表3可以看出,O型橡膠密封圈與柱塞之間的最大接觸壓力值隨壓縮量和工作油壓的增加而增大,并在左右兩個主接觸面之間對稱分布。其中接觸壓力的大小反應(yīng)了O型圈的密封能力,O型圈保證密封的必要條件是密封界面上的最大接觸壓力大于或等于工作油壓。從表3可以看出,在一定的壓縮量條件下,其最大值始終大于工作油壓,保證了O型圈的密封功能(由于篇幅所限,省略節(jié)點接觸應(yīng)力分布云圖)。3密封槽口周邊最大剪切應(yīng)力(1)O型橡膠密封圈截面的最大范·米塞斯(VonMises)應(yīng)力值隨壓縮量和工作油壓的增加而增大,并且范·米塞斯(VonMises)應(yīng)力峰區(qū)的位置發(fā)生了變化但主要分布在密封溝槽口附近,該附近區(qū)域也是最容易發(fā)生撕裂破壞的區(qū)域。(2)O型橡膠密封圈截面的最大剪切應(yīng)力值(取絕對值)隨著壓縮量和工作油壓的增加而增大,其剪切應(yīng)力峰區(qū)都分布在密封溝槽口附近區(qū)域,在不同的壓縮量和工作油壓下,最大剪切應(yīng)力始終小于橡膠材料的抗剪強度,不發(fā)生失效損壞。(3)O型橡膠密封圈與柱塞之間的最大接觸壓力值隨著壓縮量和工作油壓的增加而增大,并且在左右兩個主接觸面之間呈對稱分布。最大接觸壓力決定了O型圈的密封效果,在不同的壓縮量和工作油壓下,最大接觸壓力始終大于工作油壓,滿足O型圈的