橡胶密封件优化设计平台系统

２．２．２ 滑环式组合密封圈的有限元分析情况 滑环式组合密封圈的模型图及计算结果如图
９＂１２，建立了滑环式组合密封圈密封能力与结构 参数，载荷工况及材料参数之间的关系，能模拟滑
环式组合密封圈在各种结构参数和工况条件下的 应力应变及变形情况等，且能分析滑环厚度对密 封能力的影响，针对不同结构和不同载荷工况能 计算得到最佳的滑环厚度。
本系统共包括材料和结构数据库、密封件有 限元分析系统、专家知识库三大部分。
图Ｉ橡胶密封件优化设计平台系统主截面 ２橡胶密封件优化设计平台系统功能简介
基金项目：国防科工委十·五（二期）重点攻关项目（ｍｋｐｔ 一２００４—２９）
２．１材料和结构数据库 橡胶密封件材料参数和制品及模具相关参
２００６年
பைடு நூலகம்
谭晶等橡胶密封件优化设计平台系统
随着ＣＡＤ／ＣＡＥ技术的发展和现代化和智 能化生产方式的出现，传统的产品设计模式己经 不能满足现代生产的需要，ＣＡＥ技术已经成为设 计过程中不可缺少的一部分。橡胶由于其特殊的 性能和低廉的价格被应用于各行各业，所以对橡 胶制品进行有限元分析有着重要的意义。近年 来，国内虽有一些企业开始认识到有限元分析在 橡胶工程中的巨大作用，也开始应用有限元技术 来分析橡胶密封制品，但总的说来，应用效率非常 低，仍然摆脱不了传统的设计模式，使得有限元分 析与应用严重脱节，不能实现现代化和智能化的 生产目的。
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圉１６油封唇口密封区域示意图
图１７流体域结构示意图
２００６燕
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［３］ 谭晶，杨卫民，杨维章等．滑环式组合密封件的研究 （１）——方形同轴密封件（格来圈）的分析［Ｊ］，润滑与密封 （待发表在２００７年第１期）．
［４］谭晶，杨卫民。丁玉梅等．矩形密封豳的有限元分析［Ｊ］，润 滑与密封（待发表在２００７年第１期）．
［５］李建国。丁玉梅，杨卫民，谭晶．油封动密封机理的有限元 分析［刀，润滑与密封（待发表在２００７年第１期）．
图１８流体域的几何结构
由于密封介质在密封间隙内的流动是复杂的 流体动态过程，前人对其动密封机理的研究多数 是通过实验的方法进行研究的。本系统即是从表 面效应和结构效应的密封机理出发对密封介质在 密封间隙内的流动过程进行了模拟。表明了随着 ＡＬ（ＡＬ－－－－Ｌ。一Ｌ２）值的增加及轴速ｎ的提高，由 表面效应作用所产生的泵吸率也有所增大；随轴 速ｎ的提高，由结构效应引起的泵吸率也随之增 大，为油封密封机理的深入探讨提供了一种新的
动态分析： 一成功的唇型密封圈工作时，在旋转轴与密 封唇表面间存在一层较薄的润滑油膜，它将防止 密封唇表面的损坏。关于油封的密封机理，不少 专家进行了研究，并提出了表面张力理论，吸附理
论，边界润滑理论等多种理论。其中，１９５７年Ｅ． Ｔ．Ｊａｇｇｅｒ提出了“半月面理论”，但它并不能完整 有力地解释油封的密封现象，已被以结构效应和 表面效应为主导因素所形成的微型泵理论所代 替。
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封结构、材料选择以及装配压缩量等影响密封性 能的参数；
（３）能实现密封件的尺寸驱动，在优化过程 中，各结构尺寸调整后，设计图形自动更新，并能 快速转化为ＦＥ模型；
（４）利用优化结果数据可自动生成制品和模 具设计图纸，指导生产，
（５）该系统操作简单，易于掌握，普及性强； （６）利用该系统能优化密封件的使用性能，延 长密封件的使用寿命，对新产品的开发，缩短产品 开发周期，降低成本，提高效率，增强了企业竞争 力｝ 该系统的研制为国内密封件设计研究提供了 一定的借鉴作用，在实现密封件结构设计自动化 方面做了有益的尝试，取得了一定的成果，为今后 开发完备的密封件ＣＡＤ＼ＣＡＥ＼ＣＡＭ系统打下了 良好的基础。同时此系统能够根据客户要求及时
［６］李建国。丁玉梅，杨卫民．谭晶．油封密封性能的有限元分 ［Ｊ］．润滑与密封（待发表在２００６年第１０期）．
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橡胶密封件优化设计平台系统
谭晶１，杨卫民１，李建国１。杨维章２，贺永军２，鲁选才２
（１．北京化工大学机电工程学院，北京 １０００２９； ２．西北橡胶塑料研究设计院，陕西咸阳７１２０２３）
摘要：介绍了一种橡胶密封件优化设计平台系统，利用该系统可对各种密封件如０形圈，矩形圈、滑环式组 合和油封等进行有限元分析，且能对各种密封件进行参数化设计，各种结构尺寸调整后，设计图形自动更新， 并可快速转化为有限元模型进行分析，借助不断丰富的专家知识库和有限元分析结果对橡胶密封件进行分 析优化。获得橡胶密封件的最佳结构设计及其对材料和成型工艺条件的具体要求，自动生成密封件制品和模 具设计图纸．为今后橡胶密封件制品的结构优化、模具设计和新产品开发奠定了基础． 关键词－９封圈；橡胶密封；优化设计；
封件的安装使用注意事项；⑤影响密封件使用性 能和使用寿命的因素等以供使用者在设计密封圈 时参考。为使用者节省大量的为查找相关资料所 需的精力和时间，极大的方便了不同阶层的设计 人员，适用面广。
３结论
（１）建立了结构和材料参数数据库和为使用 者提供了专家知识库；
（２）建立了各种密封件有限元分析模型并能 对其进行有限元分析，通过分析计算，能优化出密
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数，均以数据库的形式存放的系统中，使用过程中 可直接调用相关数据，并可对其进行修改和补充，
方便使用。
图２ Ｏ型圈模具尺寸数据库图
２．２密封件的有限元分析简介 由于橡胶密封件的密封计算涉及到固体力
学、摩擦学、高分子材料学以及计算方法等方面的 理论知识，同时由于材料本身的超弹性（材料非线 性）；密封圈靠预压缩后产生的回弹力达到密封目 的时产生的大变形表现出的几何非线性和由于边 界条件的复杂表现出的接触非线性等，基于以上 各种因素要对其进行精确研究在理论上存在困 难，难以全真模拟，借鉴相关方面的研究，在密封 件的有限元分析过程中，橡胶材料采用Ｍｏｏｎｅｙ —Ｒｉｖｌｉｎ模型，对计算模型做了相关的基本假设， 根据密封结构的几何形状、材料、边界条件的特
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２．２．３ 油封的有限元分析 静态分析： 建立了油封径向力大小与分布情况、接触宽
度与其腰部厚度Ｓ、腰部高度ｈ、Ｒ值、角度ｐ、过 盈量之间的关系。能够模拟油封的各种工况条
件，并能分析油封在不同工况条件下的应力应变 分布及变形情况。图１３，－一１５是一种结构分析结 果和有限元模型图，本系统能对两大类油封，四种 基本结构形式和各种规格的油封进行计算。
本项目研制的“橡胶密封件优化设计平台系 统”改变了传统的设计方法和设计理念，对于新产 品的研究开发，不需要加工制造及试验的环节，设 计人员通过网络了解市场需求以及用户的要求， 可直接利用该系统根据用户要求选择密封件的材 料从而选择密封件的结构，并可对其进行反复的 有限元分析，得到优化后的应力应变及变形图等 计算的结果，达到用户要求后即可输出相应的参 数结果，从而输出制品图和模具图，即能够在优化 设计过程中，实现尺寸驱动，各结构尺寸调整后有 限元模型和设计图形会自动更新，给设计者的设
本系统的制品和模具设计即实现了现代化和 智能化，制品和模具设计能够根据计算结果数据 进行在线实时修改，只需把确定好的参数输入相 应的参数框中即可实现制品和模具的工程图，即 可进行加工生产。 ２．４ 专家知识库
本系统根据不同使用者的水平专门提供了一 个专家知识库，知识库中包含了密封件的各方面 的知识，如①密封材料的种类，特点，使用性能、应 用场合以及如何进行选择；②密封结构的种类，型 式，使用范围和特点；③密封件的加工方法；④密
更新和丰富该软件系统，提供全国联网的技术服 务如网络视频等，保证问题能够及时得到解答。
参考文献： ［１］张振秀，辛振祥．橡胶制品有限元分析的研究应用［Ｊ］．青岛
科技大学硕士研究生学位论文，材料加工工程专业。２００５，
６．
［２］谭晶，杨卫民，杨维章等．Ｏ形橡胶密封圈密封性能的有限 元分析［Ｊ］，润滑与密封（待发表在２００６年第９期）．
计工作带来了方便，缩短了产品的开发周期、降低 了产品的投入成本，增强了市场竞争能力。 １橡胶密封件优化设计平台系统介绍
橡胶密封件优化设计平台系统（如图１）和所 有的操作软件一样，利用ＧＵＩ的方式展示给使用 者，使用方便，操作简单，使用者只需了解简单的 ＧＵＩ操作界面，所有的计算都在后台运行，无需 掌握计算过程和计算方法，只需点击相应的按钮 即可实现相应的功能。
点，所有密封件的模型均简化为平面轴对称模型， 实现了对橡胶密封件密封性能的有限元分析。 ２．２．１ Ｏ形和矩形橡胶密封圈的有限元分析
Ｏ形橡胶密封圈和矩形橡胶圈的数学模型、 有限元模型和结果图分别如下图３～５和图６～ ８。建立了Ｏ形密封圈和矩形密封圈的承压能力 与装配压缩量、结构参数、材料关键性能等之间的 关系。能模拟０形圈和矩形圈在各种结构参数 和工况条件下的应力应变及变形情况等，通过反 复的分析计算能确定出Ｏ形圈和矩形圈的结构、 材料的选择和最佳压缩量等参数，为Ｏ形圈和矩 形圈的优化设计奠定了基础。
途径，同时为油封的优化设计奠定了基础。 ２，２．４ 制品和模具参数化设计
经过反复分析计算得到满意结果后，结构和 材料参数随之确定下来。无论是新产品开发还是 原有产品的优化，橡胶密封件优化设计平台系统 的最终目的是为了能够指导生产，运用到实际工 作中去，使密封件发挥更好的密封性能，延长密封 件的使用寿命，改变我国密封件传统设计的方法， 实现我国密封件产业的现代化的智能化的目标。