基于ANSYS的聚四氟乙烯密封圈仿真研究
基于Ansys的机械密封环温度场分析
Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｍ ｐｅ ａ ｕｒ ｅｄ ｏ ｅ ｈａ ｉａ ｃ ｅ ｌ ｉ ｇ Ａｎ ｙ ａｙ ｉ ｎ Ｔｅ ｒ ｔ ｅ Ｆｉｌ ｆＭ ｃ ｎ ｃ ｌＦａ ｅ Ｓ ａ ｓＵｓｎ ｓ ｓ
Ｓｈ ａ ｉｎ Ｈｕ Ｙｕｉ ａｎ Ｘｉｏｌ ｇ ａ Ｉ
（ ｒ ｅｏ ｏ ｅ ｅ Ｎ ｒ ｗ ｓ Ｐ ｌ ｅｈ ｉ ｌ ｎ ｅｓ ｙ Ｘ ’ ｎ Ｓ ａ ｎ ｉ １０ ２ Ｃ ｉａ Ｍａ ｎ ｆ ｌ ｇ ， ｏ ｈ ｅｔ ｏ ｔ ｎ ａ Ｕ ｉ ｒ ｔ ， ｉａ ｈ ａ ｘ ７ ０ ７ ， ｈｎ ） ｉ Ｃ ｌ ｔ ｙｃ ｅ ｖ ｉ
单 晓亮 胡 欲 立
陕西西安 ７０７ ） ０ ２ １
（ 北 工 业 大 学航 海学 院 西
摘 要 ：在合 理 的 假设 条 件下 ，建 立 了机 械 密 封环 温 度场 的 数学 模 型 ，利 用有 限元 分 析 软 件 Ａ ｓｓ ． 算 了特 定 工 ｎｙ ０计 ８ 况 下 的机 械 密封 环 的温 度 场 ，得 到 了端 面 温 度 的分 布 规律 及 密 封 环 内 温度 沿 轴 向 的变 化 趋 势 ，并 讨 论 了几 个 重 要参 数 ， 发 现导 热 系数 对 端 面温 度 影 响显 著 ，密封 端 面温 度 随 密封 介质 压力 和 主轴 转 速 近似 呈线 性 变 化 。 关 键 词 ：机 械 密封 ；稳 态 温度 场 ；数 学 模 型 ；有 限元 法 中图 分 类号 ：Ｔ １７ １ 文 献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： ２４— １０ （０ ６ Ｈ １． ０ ５ ０ ５ ２０ ）９—１６— １ ４滑 与密封
Ｌ ＵＢＲＩ ＣＡＴＩ ＯＮ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｓｐ２０ ｅ． ０６
第 ９期 （ 总第 １ １ ） ８期
基于ANSYS Workbench的O型密封圈接触分析
基于ANSYS Workbench的O型密封圈接触分析李修宇; 张传俊【期刊名称】《《长春工程学院学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(020)003【总页数】3页(P13-15)【关键词】O型密封圈; ANSYSWorkbench; 接触分析【作者】李修宇; 张传俊【作者单位】安徽工商职业学院合肥230022【正文语种】中文【中图分类】TH1380 引言由于O型密封圈具有结构简单、制造和使用方便、价格低廉等特点，因此，被广泛地应用于机械设备的液压密封和气动密封中[1-2]。
除上述特点外，O型密封圈还具有良好的密封性，既可用于静态密封，也可用于动态密封，既能单独使用，也可以采用组合式配合挡圈密封，而且工作压力可在0.1～400 MPa，温度范围可在-60 ℃～200 ℃，范围较广。
O型密封圈的密封性能依靠系统压力实现自动双向作用密封，并随系统压力的提高而增大。
密封性能直接决定其能否正常工作，因此，需要对其进行研究。
文献[3]提出一种有限元分析模型，对O形圈密封结构在不同油压和压缩率作用下的应力分布及接触压力分布进行具体分析，根据分析结果对O形圈密封结构的适用条件进行总结，得出的结果为密封圈的安装提供了一定的指导。
但是该方法在分析过程中引入了比较多的参数，对这些参数进行拟合具有一定的难度，因此，该方法的应用性不强。
文献[4]构建了一个带副唇的旋转轴唇形密封接触分析模型，运用该模型对密封圈装配后的不同压缩量与旋转轴的接触应力进行分析，得出旋转轴唇形密封圈装配后的压缩量应该保证在0.7 mm以上的结论。
虽然该方法得出了较为准确的结论，但是该模型应用范围有限，不适合大范围使用。
为了对传统方法进行完善，基于ANSYS Workbench平台，对O型圈密封接触进行分析。
1 O型圈有限元模型的建立选用的O型密封圈型号为乙烯—丙烯橡胶，橡胶材料是超弹性材料，具有非线性特征，ANSYS Workbench平台中有很多橡胶参数模型，采用Neo-Hookean超弹本构模型，其应变能函数可以表示为(1)式中：W为应变能；λ为橡胶伸长率；J为变形后体积与变形前的体积比值；μ为材料的应力量纲，为常数，μ=ρkT，其中ρ为密度，k为Boltzmann常数，T为温度；I1为Cauchy-Green变形张量的第一不变量。
基于ANSYS中随动橡胶圈的有限元分析
基于ANSY S 中随动橡胶圈的有限元分析高喜玲(河南工程技术学校,河南焦作454000)摘要:常规型井口光杆密封装置的胶皮闸门是固定件,要实现井口密封装置的随动对中,就必须解除固定胶皮闸门的约束,设计出能够实时跟踪光杆运动的随动胶皮闸门组件,通过该部分组件的作用可使密封装置密封主体能够跟踪光杆的运动,调偏自如,随着杆的移动、振动,可在任意方向内进行动态补偿,随动体是重要部件,采用的是橡胶材料,由于操作频繁,橡胶内膜成为易损件,所以随动件的性能直接影响到该装置的寿命,一旦橡胶内膜损坏,不仅会造成停工,而且容易引发事故。
所以通过有限元分析来优选橡胶材料及结构参数,就显得非常必要。
关键词:随动;建模;应力分析;有限元中图分类号:TH11711 文献标志码:A 文章编号:100320794(2008)0520079203B ased on ANSY S with Rubber Ring of Finite E lement AnalysisG AO Xi -ling(Henan Engineering T echnical School ,Jiaozuo 454000,China )Abstract :Wellhead conventional type of rod sealing device rubber gate is fixed pieces ,in order to attain the wellhead sealing device with the right dynamic ,must lift gate fixed rubber restraints ,designed to track real -time m ovement of rod with the gates of rubber com ponents ,the com ponents through the role of sealing device will be the main seal tracking rod m ovement ,offset com fortable with the shot migration ,vibration ,in any direction within the dynamic com pensation ,with the dynamic is an im portant com ponent is used in rubber materials because users frequently ,rubber endometrial become fragile pieces.With the m oving parts of a direct im pact on the life of the device once rubber endometrial damage ,it will not only cause suspension ,and could easily trigger accidents.S o by finite element analysis and structural optimization rubber material parameters ,it is very necessary.K ey w ords :following ;m odeling ;stress analysis ;finite element0 前言由于抽油机制造、安装误差及抽油机受力变形、地基下沉等原因使光杆轴线与井口装置轴线间形成固定偏移及随机偏移,造成密封装置严重偏磨。
基于ANSYS的机械密封环温度场计算方
基于ANSYS的机械密封环温度场计算方法于小丹1,孙 铁1,路永力2(1.辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺 113001;2.抚顺诚信石化工程建设监理公司,辽宁抚顺 113006) 摘 要:研究了机械密封环的稳态温度场,在合理的假设条件下,建立了机械密封环温度场的数学模型,并利用经验公式计算了密封介质与密封环间的对流换热系数。
然后利用ANSYS8.0软件计算了机械密封环的温度场,为研究机械密封环的热影响提供了参考依据。
关键词:机械密封环;稳态温度场;数学模型中图分类号:TE969 文献标识码:B 文章编号:100628805(2005)01200472031 前言机械密封在工作中,由于动静环的相对运动而产生摩擦热,导致密封环的温度升高。
密封环的温度升高会产生一系列的问题:端面的温度升高会使端面间的液膜汽化失稳,使磨损加剧,降低密封件的使用寿命;密封环间的导热不均,易使密封环间形成较大的温度梯度,而产生热变形,使接触面形成锥形表面,改变端面的接触和润滑状态,增加端面间的磨损和泄漏;当密封环的热应力过大时会导致端面热裂(热应力裂纹)。
所以,对机械密封环的温度场分析是非常重要的。
由于密封环的结构以及边界条件较复杂,依靠传统的解析方法要精确地确定温度,往往是不可能的,而采用有限元法却能有效地解决上述问题。
利用ANS YS软件对机械密封环的温度场进行的热分析,是基于能量守恒的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其他的热物理参数。
2 密封环热分析的基本假设[1](1)由于机械密封环都具有或近似具有轴对称结构,边界条件也是对称的,所以,温度场的分布也是对称的;(2)系统在运行一段时间后处于热平衡状态,温度场的分布是稳态;(3)摩擦热全部由密封环传递,不考虑介质泄漏所带走的摩擦热;(4)分析时将动静环作为一个整体来考虑,这样可以忽略密封环间的热量分配的影响。
根据以上所做的假设,密封环的传热问题简化为二维问题,导热微分方程式是:52T2x+52T2r+1r×5Tr=0式中:T———密封环的温度函数,T=T(x,r);x———表示轴向;r———表示径向。
利用ANSYS进行磁性流体密封装置磁场设计
收稿日期:2004-06-15作者简介:韩寿松(1978-),男,助教,硕士,主要从事液压传动方面教学和研究 E m ai:l hans housong @yahoo com cn利用ANS YS 进行磁性流体密封装置磁场设计韩寿松 苏力刚(装甲兵工程学院机械工程系机电室 北京100072)摘要:介绍了通用有限元软件AN S YS 的一般功能,讨论了利用ANSYS 软件对磁性流体密封装置的磁场进行有限元计算的一般步骤,详细描述了从创建物理环境到解后处理的全过程。
通过磁性流体密封装置的设计实例说明,用AN S Y S 对磁性流体密封装置磁场计算以及结构参数优化具有一定的意义。
关键词:ANSYS ;磁性流体密封;有限元中图分类号:TB271 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2005)3-128-3M agnetic Fiel d Analysis forM agnetic Flui d Sealsw it h ANSYSHan Shousong Su L i g ang(A cade my of Ar m ored Forces Engineeri ng ,B eiji ng 100072,China)Abstract :The ma i n function of AN SYS which isw i dely used as finite ele m ent analysis soft w are was introduced ,and the approac h of m agnetic field a nal ysis for magnetic flui d seals w ith ANSY S was developed .The whole pr ocess fro m creat i ngthe physical e nviron m ent to the postprocess after so l v i ng w as described i n detai.l T he result of a desi gn e xa mple sho ws that the appr oach o f magnet i c fiel d analysis and structure optm i izati on for m agnetic fluid seals w it h AN S Y S is si gnificat i ve .K eywords :AN SYS ;m agnetic flui d seals ;fi nite ele m e nt磁性流体密封在气体及旋转轴密封中具有无可比拟的优点:无泄漏、无磨损、结构简单、寿命长,受到国内外学者和工程技术人员的重视。
V型密封圈结构参数对密封性能影响研究
V型密封圈结构参数对密封性能影响研究谭蔚6付亚康6王建军2李兵兵％(1.天津大学化工学院;2.中国石油兰州石化公司设备维修公司；3.天津大学仁爱学院化工系)摘要利用ANSYS对高压柱塞泵V型密封圈进行有限元仿真分析，并搭建实验装置对模拟结果进行了验证。
在此基础上，研究了内、外过盈量、唇口角度对密封面接触压力和密封圈内应力分布的影响。
结果表明:过盈量增加,接触压力峰值增大,活塞杆往复过程中带出和带回的液体量都减少,有利于实现密封，但如果过盈量过大，会使密封面峰值压力过大、润滑效果变差从而加速磨损。
唇口角度增加，活塞杆内行程带回的液体量增加，可以减少泄漏，有利于实现密封。
研究结果可为V型密封圈的设计、选用和结构优化提供依据和参考。
关键词V型密封圈过盈量唇口角度接触压力有限元分析中图分类号TQ055.8+1文献标识码A填料密封是应用最早的密封技术之一，广泛应用在阀门、往复机械、液压气动装置、部分旋转机械及釜等装置中，因为在使用过程中填料与往复或旋转轴直接接触,容易发生磨损,因此填料的摩擦磨损成为影响填料密封可靠性、耐久性和稳定性的主要因素［1$3］%随着技术的不断发展和使用需求的不断提高，密封圈截面形状从最初的0型、矩形等，逐渐发展出了'型、U型、Y型及L型等较为复杂的填料密封形式⑷。
填料密封在实际使用过程中密封性能的影响因素众多,其中失效原因主要有动密封面摩擦磨损，密封圈材料在使用过程中蠕变失效等％这些失效原因与密封面的接触压力和密封圈内应力分布直接相关，所以国内外有很多学者对填料密封结构的受力进行了研究。
张付英等利用AN-SYS分析了方形同轴组合密封圈的结构和运行参数对其动静密封性能的影响［5］%祝娟和邹龙庆通过ANSYS建立了变截面密封圈的三维有限元模型，研究了其几何参数对密封性能的影响［0］。
谭晶等通过建立斯特圈的二维轴对称模型，分析了滑环厚度、接触力和介质压力对斯特圈接触压力的影响⑺。
基于ANSYS的O形密封圈磨损仿真方法研究
基于ANSYS的O形密封圈磨损仿真方法研究常凯【摘要】Many products with wear-failure of O-ring appear in production.However,there is no related method of seal wear simulation to analyze these product issues.For solving this problem,firstly a method used for wear simulation of O-ring is proposed.The method is based on Archard friction and wear model and is implemented by structural analysis and thermal analysis of ANSYS software.The influence of contact pressure and frictional heat on the friction and wear are considered in themethod.Meanwhile,the grid reconstruction is used to solve the problem that is difficult to simulate the material wear in the simulation.The whole simulation process is realized by programming.Then according to engineering practice,a basis for judging the wear failure of O-ring is proposed.At last a concrete example of applying this method is given.%针对多型采用O形密封圈的产品磨损失效且无相关磨损仿真手段的现状,基于ARCHARD的摩擦磨损模型,利用ANSYS软件结构分析与热分析功能,提出了一种用于进行O形密封圈磨损仿真计算的方法.仿真过程中综合考虑了接触压力和摩擦热对摩擦磨损的影响,采用网格重构的方法解决了仿真过程中难于对材料磨损进行模拟的问题,并将仿真过程以编程的方式实现.结合工程实际,提出了判断O形密封圈磨损失效的依据.给出了应用此方法进行计算的具体算例.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】6页(P98-103)【关键词】O形圈磨损;接触压力;摩擦热;网格重构技术;失效判据【作者】常凯【作者单位】航空工业庆安集团有限公司航空设备研究所,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】TH137引言在液压系统中，由于密封介质被挤压的缘故，密封装置可能会直接与运动的零件接触，这使得由于接触产生的磨损成为影响密封寿命的一个重要因素。
基于Ansys的橡胶O形密封圈的密封性能有限元分析
（３）
式中 ：△ｕ＿Ａ为橡胶密封圈上的一点 Ａ 的增量位移
表 １ 不 同油 压 、不 同径 向间 隙 条 件 下 最 大 Ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应 力 的 数 值 Ｎ Ｎ ／ＭＰａ
向量 ；，ｚ为密封刚体的单位法 向向量 ；Ｈ 为接触距
离 容 限 。
若 满足 式 （３），则认 为 Ａ点 与 刚体 接 触 上 了 。
接 触 问题属 于带 约 束 条 件 的 泛 函极 值 问题 ，最 常 用 的方 法有 Ｌａｇｒａｎｇｅ乘 子法 、罚 函数 法 以及 基 于 求 解器 的直 接 约 束 法 。本 文 采用 罚 单 元 法 ，在 对 模 型进行 完 网格 划 分 后 ，在 ２个 可 能接 触 的界 面 上 的节 点之 间建 立接 触单 元 ，来 求解 Ｏ 形密 封 圈 与 刚体 间 的接触 问题 ］。
弹 性 体
第 ２Ｏ卷
Ｒｉｖｌｉｎ系数 ； ｚ为 第一 、第二 应变 张量 不变 量 。 裂纹 。而接触压力 的大 小反 应 了 Ｏ形 圈 的密封 能
应 力应 变关 系 即为 ： ａ＝ＯＷ ／Ｏｅ
力 ，ｏ形 圈保证 密封 的必要 条件是最 大接触 压力 大 （２） 于或 等于油 压 。所 以这 里 主要 利用 Ａｎｓｙｓ软 件分
摘 要 ：利 用有 限元分析软件 Ａｎｓｙｓ，建 立 了橡胶 ０形 圈及其 边界 的有 限元模 型，分析 计算 了不 同 的 ０ 形 密封 圈径 向 间 隙 以及 不 同 的 油压 下 对 密 封 面 最 大接 触 压 力 和 Ｖｏｎ Ｍ ｉｓｅｓ应 力 的 影 响 ，以及 它 们 之 间 的相 互 关 系 ，为 ０ 型 密封 圈 的合 理 安 装 和 使 用提 供 了理 论依 据 。
（２）不 同油 压 、不 同径 向间 隙条 件 下 ，最 大接 触压 力 的数值 如 表 ２所 示 。
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基于ANSYS的聚四氟乙烯密封圈仿真研究作者：芦付臣张春堂于洋
来源：《中国科技博览》2014年第34期
[摘要]本文通过ANSYS软件对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，研究了其密封性能，得到了安装状态和加载状态下聚四氟乙烯密封圈的等效应力分布和接触压力分布云图，发现聚四氟乙烯密封圈在正常情况下均能较好的密封能力，并可以密封较高压力的介质。
[关键词]聚四氟乙烯；密封圈；仿真研究；ANSYS
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0317-01
引言
聚四氟乙烯密封圈是由一个相对较薄的聚四氟乙烯环包覆一个橡胶O形圈组成，属于挤压式滑动密封。
它是靠聚四氟乙烯包覆环与轴和沟槽的表面相接触，在预压缩力和介质压力的共同作用下使聚四氟乙烯包覆环变形堵住轴与孔的间隙，橡胶O形圈被压缩也产生弹性力作用于包覆环，增加接触面的接触压力，阻抑油液流向低压区发生泄漏，从而实现密封。
目前，密封件的设计大多依靠实验进行，实验的诸多因素都会造成密封误差，导致密封实际应用时失效。
随着有限元技术的迅速发展和日趋成熟，设计人员越来越多的将各种实验通过相关的有限元软件来进行模拟分析，这不仅降低了实验成本，还缩短了产品的设计周期。
将有限元法引入到了密封件的设计上，对所设计的密封结构进行仿真分析，可以得到密封件的应力分布云图以及接触压力曲线等与密封能力直接相关的参数，对密封的寿命进行预测。
本文通过ANSYS 软件对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，对其综合等效应力及接触应力的分布进行研究。
1 建立聚四氟乙烯密封圈有限元模型
聚四氟乙烯密封圈模型包括旋转轴、O型圈、密封导套等组成。
在安装挤压的过程中，旋转轴与密封导套相对于密封件的弹性变形量极小，可以将旋转轴与密封导套近似看作刚体，以简化模型。
旋转轴与密封导套的材料均为不锈钢1Cr18Ni9Ti，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。
有限元分析过程中，鉴于其边界条件的复杂性，故将密封结构的旋转轴和密封导套作为整体进行分析。
根据密封结构的轴对称特性，以及载荷和边界条件的施加特点，可以将模型简化为二维平面轴对称模型，这样不仅不影响计算结果，还可以节省大量建模及计算时间。
聚四氟乙烯密封圈密封结构的有限元模型如图1所示。
模型中O形圈与旋转轴，O形圈与密封导套，以及O形圈与导套上的槽之间均设有接触对。
根据接触对的定义准则，确定旋转轴和密封导套作为目标体，O形圈作为接触体。
旋转轴和密封导套采用线性实体单元PLANE42模拟，橡胶单元采用超弹单元PLANE182模拟。
在模型网格划分中，旋转轴和密封导套做刚体处理，基本不发生变形，故模型中网格划分较少，而O形圈的受力及变形是本节的重点研究内容，且在分析过程中形变位移较大，因此对而O形圈的网格划分较细。
O形圈的网格是利用ANSYS的网格划分功能，先建立1/4截面的单元，然后进行镜像操作，形成其实际网格单元，这种网格可以很好的模拟O形圈的的受力情况。
模型中共划分945个单元，1086个节点。
2 施加载荷和约束
约束载荷的施加，先把密封导套外边界的 X、Y 方向位移定义为0，作为密封结构分析的基础；将旋转轴外边界的X方向位移定义为0，防止计算时出现压力不均衡，而得不到收敛的结果。
然后给旋转轴的-Y方向施加一个位移，使其到达安装位置，模拟O形圈安装状态下的压缩量。
最后，在O形圈引入高压水的一侧施加一定压力载荷，模拟最终的接触变形状态。
O 形圈在安装状态下会产生较大的形变，因此在施加压力载荷时，不能直接加在两个半圆形边界上，应根据具体压缩量的大小，反过来定义需要加载的节点。
分析的过程中，添加三处边界条件：第一是密封导套，其外边界位置固定不变；第二是旋转轴，其外边界X方向保持不变，完成压缩过程后整体保持不变；第三是引入的高压液体载荷。
将旋转轴-Y方向的位移定义为第一个载荷步，作用在O形圈上的高压载荷定义为第二个载荷步，求解时按照以上两个载荷步顺序进行。
3 有限元结果分析
（1）O形圈等效应力分布
聚四氟乙烯密封圈安装状态下的综合等效应力Von Mises Stress （SEQV）分布图2所示。
从图中可以发现，在安装完成后，O形密封圈被压缩成近似为椭圆形。
O 形密封圈所受应力主要集中于中间的上下两侧，呈“哑铃”状对称分布，靠近接触面的应力较大。
安装状态其最大综合等效应力为5.78MPa。
在O形密封圈的左侧施加40MPa压力，聚四氟乙烯密封圈的等效应力分布如图3所示。
从图3中可以看出，聚四氟乙烯密封圈中应力分布有规律，变形合理，最大综合等效应力为8.33MPa。
由材料性能参数可知，聚四氟乙烯密封圈仍在许用范围之内，不会产生扭曲变形。
（2）O形圈接触压力分布
聚四氟乙烯密封圈安装状态下的接触压力分布图4所示。
由图4可以发现最大接触压力基本出现在接触位置的中间部位，接触压力从最大接触压力处向两侧呈抛物线的趋势递减，并且O形圈上部和下部产生的接触压力相互对称。
图中，聚四氟乙烯密封圈的最大接触应力为7.12MPa，因此聚四氟乙烯密封圈可以密封较高压力的介质。
4 结论
本文通过对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，得到了其安装及加载状态下的等效应力分布和接触压力分布云图。
分析发现，安装及加载状态下聚四氟乙烯密封圈具有良好的静密封能力，聚四氟乙烯包覆圈能保持正常工作，并可以密封较高压力的介质。
参考文献
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作者简介
芦付臣（1973-）男，河南登封人，助理工程师，2008年毕业于河南理工大学，现从事机电设备管理工作。