基于ANSYS的橡胶O型密封圈仿真分析

刘俊

（中航工业航宇救生装备有限公司，湖北襄阳，441003）

基于ANSYS的橡胶O型密封圈仿真分析

刘俊

（中航工业航宇救生装备有限公司，湖北襄阳，441003）

基于有限元分析软件ANSYS，对BS 312橡胶O型橡胶圈进行了稳态和瞬态动力学仿真分析。通过静力和交变位移加载方式，分别得出了O型橡胶圈的刚度—形变曲线和滞回曲线。仿真结果证明：该型号的O型橡胶圈具有较好的抗震能力和耗能能力。仿真算法及数值分析为确定密封圈性能提供了参考。

橡胶O型密封圈；接触分析；有限元；滞回性能

引言

O型密封圈是一种常用的密封元器件，具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点，广泛应用于石油化工、机械和宇航领域。由于橡胶材料具有超弹性能[1]，当受到较大外载时，表现出高度非线性的特性，往往使得密封圈的精确仿真求解十分困难[2]。本文主要研究了适合于O型橡胶圈的接触仿真方法，通过稳态和瞬态动力学仿真计算，给出了材料的刚度—变形曲线和滞回曲线。

1 计算模型

1.1 物理模型

选用的O型橡胶密封圈型号为BS 312，材料为丁腈橡胶，材料属性如表1所示。

表1 材料属性

橡胶单元采用Neo-Hookean超弹本构模型，由表1计算得出材料的剪切模量为3 120 005.369 Pa, 不可压缩参数为1.29×10-8Pa-1。鉴于O型圈模型的圆周对称性，ANSYS计算模型简化为二维，边界条件设为底部固定。由于压缩过程中材料将经历大变形，网格质量直接影响到收敛性，故本模型应用了四边形网格，并对网格歪斜度、长宽比、平滑度进行了调整，上下两个钢板采用整体单一网格模拟。划分网格如图1所示。

图1 二维计算模型网格图

1.2 数值模型

从物理意义上讲，两接触体之间不会相互渗透。在ANSYS有限元分析中采用接触单元模拟接触问题，以建立两平面间的相互关系。接触单元状态根据下式进行判定：

当I≥0时，接触单元处于结合并粘着的状态；反之，接触单元处于结合但可滑动的状态；当接触点分离时，接触点没有接触，也就没有刚度矩阵和载荷向量。

最常用的非线性实体表面接触的强制协调性公式有拉格朗日法、罚函数法以及增强拉格朗日法[3]。拉格朗日法不允许接触面有任何穿透，此方法并非采取接触刚度和穿透关系，而是将接触状态处理为自由度，即标记为0或1；罚函数法采用接触刚度概念，引入刚度乘数，在接触面间模拟弹簧，允许接触面有少量穿透；增强型拉格朗日法增加了额外的自由度来满足协调性，接触压力作为额外的自由度直接求解。本文采用拉格朗日法，接触探测方式为Nodal-projection。

2 仿真结果

2.1 静力加载结果

总变形量和等效应力图如图2所示。

图2 静力仿真结果

稳态力加载后，可得到刚度变形情况，并进而得出密封圈刚度—变形量关系曲线，如图3所示。

2.2 动力加载结果

图3 刚度—变形量曲线

对模型进行瞬态分析，并考虑材料的阻尼特性。在ANSYS中，大部分动态阻尼分析被处理为粘滞阻尼[4]，

其中，[C]为阻尼常数，根据Reyleigh阻尼定义，[C]= α[M]+ β[K]。O型密封圈的橡胶阻尼属于β型阻尼，根据表1计算出阻尼率为0.07，刚度阻尼常数为0.008 9。对模型输入压缩量为0.266 5 mm，交变位移函数为0.025sin(0.25×2π×t)的激励后，位移响应和载荷响应如图4和5所示。可以看出，在0.180 82 s之前系统处于瞬态响应，之后趋于为稳态。稳态部分的滞回曲线如图6所示。

图4 位移响应

图5 载荷响应

图6 滞回曲线

滞回曲线是检验超弹材料能量耗散能力的一项评价标准。应变响应滞后于应力响应，曲线的下半圆周表示加载过程，上半圆周表示卸载过程，曲线所包围的部分表示当材料恢复原来形状时的能量耗散量[5]。

3 结论

本文仿真应用了拉格朗日方程作为接触分析方法，得出了该型密封圈在静载下的刚度—变形曲线，并通过瞬态分析得出了该材料在0.266 5 mm压缩量，0.025sin(0.25×2π×t)交变位移激励下的力学响应和滞回曲线。从仿真结果可得出该O型密封圈的稳态和瞬态动力学性能。

[1]胡琦. 液压伺服作动器O形密封圈实验研究与有限元分析[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011.

[2]王伟, 赵树高. 橡胶O形密封圈的非线性有限元分析[J]. 润滑与密封, 2005(4): 106-107, 110.

[3]ANSYS Mechanical Structural Nonlinearities, Lecture 3 Introduction to Contact, ANSYS Customer Training Material [Z].

[4]Cai C, Zheng H, Khan M S, et al. Modeling of Material Damping Properties in ANSYS [C]. CADFEM Users’ Meeting & ANSYS Conference, 2002.

[5]Nashif A D, Jones D I, Henderson J P, et al. Vibration damping [M]. John Wiley & Sons, 1985.

Simulation Analysis on O-type Rubber Sealing Ring Using ANSYS

LIU Jun
(AVIC Aerospace Life-support Industries, Ltd., Xiangyang, Hubei,441003, China)

Static and transient simulation analyses are performed for O-type rubber sealing ring BS 312 using ANSYS. Its stiffness-deformation curve and hysteresis curve are obtained respectively by means of load of static and alternating displacement. The simulation results show that, such a kind of O-type rubber sealing ring holds a better seismic and energy dissipation capacity. The simulation idea provides references for the performance analysis of all the rubber sealing rings.

O-type Rubber Sealing Ring; Contact Analysis; Finite Element Method; Hysteretic Behavior

U464.332+.4

A

2095-8412 (2016) 06-1088-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.007

刘俊(1983-)，女，汉族，湖北襄阳人，硕士，工程师。长期从事火箭橇技术研究。