肖超 邵騰 叢日平

摘 ?要：為了快速分析O形密封圈在預(yù)壓縮過程中的密封性能，基于APDL語言，建立其有限元模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到O形密封圈的變形情況、力學(xué)性能和密封性能，為類似密封圈的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：O形圈;密封;APDL

中圖分類號：TP391.7：U469.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

O形密封圈由于其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低廉、安裝拆卸方便、密封性能良好等特點(diǎn)而被廣泛使用，如活塞缸、往復(fù)式液壓馬達(dá)[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，數(shù)值模擬技術(shù)在油液密封領(lǐng)域中得到了迅猛發(fā)展，諸多學(xué)者對不同工況條件下密封圈的密封性能進(jìn)行了研究[3-4]。

分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多數(shù)是側(cè)重于密封圈密封性能的仿真研究。而在方案設(shè)計(jì)前期，如何能夠快速獲得不同方案的密封特性并進(jìn)行方案擇優(yōu)則成為難點(diǎn)。

為此，本文基于ADPL語言分析方法，建立O形密封圈有限元模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到其變形情況、力學(xué)性能和密封性能。通過與文獻(xiàn)4的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了該方法的可行性，對類似的密封仿真研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1基于APDL語言的參數(shù)化建模流程

參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL（Parametric Design Language）使研發(fā)人員對密封圈選型及溝槽設(shè)計(jì)具有絕對控制權(quán)，通過修改尺寸、材料、載荷等參數(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)不同系列產(chǎn)品的密封性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等[4]，具體分析步驟如圖1所示。

2 O形密封圈參數(shù)化建模

2.1 幾何結(jié)構(gòu)

如圖2所示為密封圈及溝槽截面結(jié)構(gòu)，為便于與文獻(xiàn)4中的結(jié)果進(jìn)行對比分析，O形密封圈直徑為7mm，密封槽尺寸為9.7 mm×5.72 mm[4]。

由于活塞和活塞桿的剛度遠(yuǎn)大于O形密封圈的剛度，為此，將活塞和活塞桿簡化為線，建立幾何模型。

用APDL表達(dá)為：

t1=9.7 ！O圈槽寬

r0=7/2 ? ！O圈半徑

r1=150/2 ！活塞內(nèi)徑

r2=150/2+5.72 ！活塞外徑

r3=r1+2*r0 ? ！活塞桿內(nèi)徑

b=5

ra=0.1 ！槽口半徑

rb=1 ！槽底半徑

k，1，r2-t，0 ！定義點(diǎn)A的位置

k，2， r2-t，b ！定義點(diǎn)B的位置

k，3，r1，b ！定義點(diǎn)C的位置

k，4，r1，b+t1 ！定義點(diǎn)D的位置

k，5，r2-t， b+t1 ！定義點(diǎn)E的位置

k，6，r2-t，2*b+t1 ！定義點(diǎn)F的位置

k，7，r1+r0，b+t1-r0 ！定義O圈圓心的位置

k，8，r3，0 ！定義點(diǎn)G的位置

k，9，r3， 2*b+t1 ！定義點(diǎn)H的位置

l，1，2

l，2，3

l，3，4

l，4，5

l，5，6

cyl4， r1+r0，b+t1-r0，r0 ！繪制O形截面

lfillt，1，2，ra ！創(chuàng)建倒圓角

lfillt，4，5，ra

lfillt，2，3，rb

lfillt，3，4，rb

2.2材料參數(shù)

O形密封圈為多數(shù)為橡膠材料，屬于超彈性材料，選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠的力學(xué)性能[3]，其函數(shù)表達(dá)式為：

其中，W為應(yīng)變能;C10和C01為材料定常數(shù);I1和I2分別為第一、第二應(yīng)變常數(shù)。

分析中密封圈選擇丁腈橡膠，其泊松比為0.499，C10和C01分別取1.87MPa、0.47 MPa。

用APDL表達(dá)為：

c10=1.87

c01=0.47

nu1=0.499

dd= （1-2*nu1）/（c10+c01）

tb，hyper，1，1，2，mooney

tbdata，1，c10，c01，dd ！定義Mooney-Rivlin模型參數(shù)

2.3 劃分網(wǎng)格

采用TARGE169單元和CONTA171單元描述接觸狀態(tài)，分別建立密封圈與活塞、活塞桿的接觸對，設(shè)定初始摩擦因數(shù)為0.2，設(shè)置O形密封圈網(wǎng)格尺寸為0.3mm并細(xì)化接觸對之間的網(wǎng)格，其模型如圖3所示。

2.4 載荷及邊界條件

模擬O形密封圈在10%預(yù)壓縮率下的密封性。采用相對位移法施加預(yù)緊力，即約束活塞桿Y向位移，X向位移0.7mm（模擬O形圈初始壓縮量），約束活塞X向與Y向位移。

用APDL表達(dá)為：

lsel，s，，，1，5

lsel，a，，，11，14

nsll，s，1

cp，1，ux，all

cp，1，uy，all

d，all，uy，0

d，all，ux，0

lsel，s，，，10

nsll，s，1

cp，2，ux，all

cp，2，uy，all

d，all，uy，0

lsel，s，，，10

nsll，s，1

d，all，ux，-0.1*r0*2

3結(jié)果分析

3.1 計(jì)算仿真結(jié)果

當(dāng)初始壓縮量為10%時(shí)，密封圈截面等效應(yīng)力云圖如圖4所示。密封圈最大等效應(yīng)力為2.10MPa。

圖5為密封圈的接觸壓力云圖，O形圈與活塞桿密封面的最大接觸壓力為3.13MPa。

用APDL表達(dá)為：

！結(jié)果輸出

/post1

asel，all

esla，s

plnsol，s，eqv ！繪制密封圈等效應(yīng)力云圖

allsel.all

plnsol，cont，pres ！ 繪制密封圈接觸應(yīng)力云圖

3.2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

將O形密封圈等效應(yīng)力、接觸壓力結(jié)果與文獻(xiàn)4中的結(jié)果[4]（圖6、圖7）對比分析可知，基于APDL語言得到的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果誤差在工程允許范圍內(nèi)，證明了該方法求解結(jié)果的正確性。

3.3 系列O形密封圈求解

通過修改第2節(jié)中的輸入?yún)?shù)，可以快速獲得不同結(jié)構(gòu)尺寸、不用壓縮率情況下的O形密封圈仿真結(jié)果，這里不再一一嘗試。

4 ?結(jié)語

本文基于APDL語言建立了O形密封圈的參數(shù)化模型并進(jìn)行了密封仿真，通過與理論結(jié)果的對比分析，證明了該方法的正確性，從而為用戶擺脫繁瑣的理論計(jì)算，直觀、快速地獲得O形密封圈密封效果提供了一種新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]汝紹峰，劉延?jì)?O形和Y型密封圈預(yù)壓縮密封性能分析[J]，中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，17（5）：466 - 470.

[2]曹贊.基于有限元的O形密封圈密封性能分析[J]，CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2014（8）：46-48.

[3]姚春峰，李萌，高立超，等.O形密封圈的有限元分析[J]，機(jī)械制造，2019， 47（5）：64-68.

[4]王東輝，戈嗣誠，王立武，等.柔性艙O 型密封圈密封性能分析[J]，航天返回與遙感，2021， 42（1）：48-56.

作者簡介：

肖超（1990-），女，山西長治人，工程師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。