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橡膠密封件有限元形態(tài)的詳細(xì)分析
y形橡膠密封件主要用干液壓系統(tǒng)中活塞、注塞和活塞桿的密封。為獲得初始密封，在設(shè)計(jì)Y形密封件時(shí)，內(nèi)、外唇有一定的過盈。當(dāng)密封圈裝入溝槽中，達(dá)到密封的效果。在壓力作用下，由于密封唇圓周方向的變形，產(chǎn)生接觸壓力，隨著液體壓力的增加，變形和接觸壓力也隨之增加，Y形圈達(dá)到自封效果·····。作者在研制一種非剛性連接輸油管道新型連接器時(shí)，設(shè)計(jì)了一種Y形橡膠密封圈（非標(biāo)準(zhǔn)件）作為連接器的密封件，所要求的密封狀態(tài)為靜密封。為了驗(yàn)證其使用性能，傳統(tǒng)的方法是研制出實(shí)物橡膠圈進(jìn)行試驗(yàn)，研究其密封性能是否滿足要求，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。為了提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約研究成本，本文作者提出采用大型有限元分析軟件AN-SYS對(duì)所設(shè)計(jì)的Y形密封圈進(jìn)行有限元分析，通過分析密封圈的應(yīng)力、接觸壓力和形變來考察其密封性能。
1.Y形橡膠密封件有限元分析模型
1.1橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
橡膠從本質(zhì)上說是一種粘彈性材料，其力學(xué)特性與時(shí)間及溫度有關(guān)，即呈現(xiàn)出蠕變、松弛、老化等現(xiàn)象。然而，當(dāng)時(shí)間較短且溫度變化不大時(shí)，則可認(rèn)為橡膠材料是完全彈性的，即當(dāng)載荷被撤走后，橡膠材料完全恢復(fù)到它未變形的狀態(tài)。在密封結(jié)構(gòu)中，其力學(xué)模型表現(xiàn)為復(fù)雜的材料非線性和幾何非線性。
AN-SYS非線性超彈性模型主要有PolynomidForm模型、Mooney.Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Arruda-Boyce模型、Gent模型、Ogden模型、Hyperfoam模型、Blatz.Ko模型舊1.目前在ANSYS中廣泛
采用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)。
(1)式中：w為修正的應(yīng)變能，c。為Rivlin系數(shù)，，l、2分別為第1、第2Green應(yīng)變不變量。
本文作者利用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用兩常數(shù)的Mooney.Rivlin模型，則式（1)變成：
�。�2)式中：c。。和c0。為Rivlin系數(shù)，均為正定常數(shù)。
1.2接觸問題的有限元分析
接觸問題Ho的復(fù)雜性是由于系統(tǒng)狀態(tài)的改變，即由物體間的接觸、分離造成的，故接觸問題又被稱為狀態(tài)非線性問題。目前，各國(guó)學(xué)者提出了許多接觸問題的有限元算法，如Lagrange乘子法、罰單元法以及基于求解器的直接約束法等。本文作者采用罰單元法，罰單元法就是在兩接觸面的各節(jié)點(diǎn)間建立一種偽
單元來模擬面與面的接觸。從變分角度看，罰單元法是將結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能II表達(dá)為應(yīng)變勢(shì)能形、外力勢(shì)能E和接觸力勢(shì)能Q的和呤1.即：
（3)通過罰單元給出Q的表達(dá)式，從而解決接觸面被穿透的問題。
1.3有限元模型的建立
基本假設(shè)：(1)由于鋼構(gòu)件構(gòu)成的密封槽壁的剛度是橡膠的幾萬倍，所以不考慮其變形，將其視為剛體邊界。(2)認(rèn)為Y形圈的橡膠材料不可壓縮。(3)橡膠密封圈及接觸邊界均按軸對(duì)稱問題處理，取Y形圈和密封槽壁的二維截面進(jìn)行研究。Y形橡膠密封件材料為丁橡膠（NBR),硬度為IRHD(國(guó)際橡膠硬度等級(jí)）85,其主要設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示。工作壓力為0~3MPa.
橡膠單元采用實(shí)體單元PLANEI183,分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivlin模型函數(shù)，其應(yīng)變能偏量部分有關(guān)的2個(gè)材料常數(shù)c,。和c。。分別為1.87和0.47”1。模型中的接觸對(duì)由接觸單元CONTAI72和目標(biāo)單元TARGEI69配對(duì)組成，溝槽邊界用剛體來模擬。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。
2計(jì)算結(jié)果與分析
利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)Y形密封圈在不同工作壓力下的變形與受力情況進(jìn)行了有限元分析，得出了相應(yīng)的范·米塞斯（Von-Mises)應(yīng)力分布及接觸壓力分布。
2.1Y形橡膠密封件裝配時(shí)的分析
當(dāng)剛體達(dá)到裝配位置（工作壓力P=0),Y形密封圈被擠壓，壓縮量為1.1mm.其壓縮形變、Von-Mises應(yīng)力、接觸壓力分布如圖3、4所示。從圖中可以看出，大Von-Mises應(yīng)力出現(xiàn)在上下唇交匯處，達(dá)到了1。33MPa,上下唇部的大接觸壓力均
有0.57MPa。
2.2不同工作壓力時(shí)Y形橡膠密封件的Von-Mises應(yīng)力
Von-Mises應(yīng)力反應(yīng)了Y形圈截面上各主應(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。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。Von-Mises
應(yīng)力子為：
（4)
式中：a1、a2、a3,為單元體3個(gè)方向的主應(yīng)力。
考慮到密封圈的工作壓力為0-3MPa,本文中選取了0。5,1,1。5,2,2。5,3,3。5,4,4。5,5MPa10個(gè)不同壓力進(jìn)行分析，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1.從表1可以看出，隨著工作壓力的增加，大Von-Mises應(yīng)力值逐步增加。圖5,6為低壓（1MPa)和高壓（5MPa)作用下Y形圈的Von-Mises應(yīng)力圖。與低壓時(shí)相比，高壓作用下Y形圈剖面上的Von-Mises
應(yīng)力也明顯增加，上下唇交匯處達(dá)到了5。8MPa.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)Von-Mises應(yīng)力峰區(qū)的位置發(fā)生了變化，并且主要集中在Y形圈下部倒角處。這說明在不同工作壓力下Y形圈下部倒角處可能出裂紋。
2.3不同工作壓力時(shí)Y形密封圈的接觸壓力
Y形圈的密封面為上下唇部，本文中主要分析了上下唇部的接觸壓力。接觸壓力的大小反應(yīng)了Y形圈的密封能力，Y形圈保證密封的必要條件是密封界面上的大接觸壓力大于或等于油壓。0。5~5MPa10個(gè)等級(jí)工作壓力下的大接觸壓力如
表1所示。且從圖7可以看出，隨著油壓的增加，大接觸壓力亦隨之增加，呈線性關(guān)系，其值總是大于油壓。從圖8,9可以看出，接觸壓力的峰值總是出現(xiàn)在下唇部，并且上唇部的接觸長(zhǎng)度總是大于下唇部接觸長(zhǎng)度。圖10為P=1,3MPa時(shí)上下唇部接觸壓力變化圖，接觸壓力分布呈類似二次曲線變化，下唇部接觸壓力突變比較明顯。
3.結(jié)論
（1)利用大型有限元分析軟件ANSYS,實(shí)現(xiàn)之對(duì)所設(shè)計(jì)的Y形橡膠密封圈的有限元分析，使經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到了驗(yàn)證，對(duì)Y形密封圈的設(shè)計(jì)和選型提供了一定的幫助。同時(shí)創(chuàng)新了設(shè)計(jì)方法，提高了設(shè)計(jì)效率，節(jié)約了研究成本。
�。�2)通過有限元分析，得到了Y形密封圈的應(yīng)力分布，可以有效地估計(jì)可能引起斷裂失效的區(qū)域。通過對(duì)不同工作壓力下Y形密封圈上下唇部的接觸壓力數(shù)據(jù)分析，總結(jié)了該類型Y形密封圈接觸壓力的變化規(guī)律，判定了各工況下Y形密封圈的密封性能。為橡膠密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
