基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡胶密封圈有限元模拟
基于SolidWorksSimulation的O型圈锥面密封非线性分析
基于SolidWorksSimulation的O型圈锥面密封非线性分析作者：潘广堂来源：《科技视界》2016年第23期【摘要】针对工程中锥面密封存在的泄漏问题，通过两锥面之间O型密封圈进行非线性有限元分析，研究其应力分布规律，获取最大接触应力与支座反力，确定起关键作用的密封面，为锥面密封的合理设计、加工制造提供了理论依据和改进建议。
【关键词】O型圈；非线性；密封；有限元0 前言工程应用中经常会使用锥面密封，例如锥面密封接头、卡箍连接装置等等。
由于锥面密封有结构简单、体积小、连接可靠等优点，在石油、化工等领域中得到广泛应用[1-3]。
但由于制作密封圈橡胶材料的不满足胡克定律，分析锥面密封的接触应力，计算其接触反力确是工程设计的一个难题。
现在我们可以借助计算机分析软件解决这一问题。
1 非线性静态分析概述线性分析中对材料模型的重要假设：所有材料都符合虎克定律，即应力与应变成正比。
有些材料只有在应变较小时才表现出这种行为。
当应变增加时，应力与应变的关系变成非线性。
有些材料即使当应变较小时也表现非线性行为，比如橡胶。
材料模型是材料行为的数学模拟。
如果材料的应力与应变关系是线性的，该材料被称为是线性的。
线性材料可以是同向性、正交各向异性或各向异性。
当模型中的材料在指定载荷的作用下表现出非线性应力-应变行为时（图1），就必须使用非线性分析。
非线性分析提供许多类型的材料模型。
目前处理相关工程问题主要是以连续介质力学为基础，丁晴橡胶被认为是超弹性近似不可压缩体，其力学特型表现为复杂的材料非线性和几何非线性。
现阶段应用比较广泛的Mooney-Rivlin 模型，它可以用来模拟几乎所有的橡胶制品的力学行为。
其函数表达式可表示为[4]2 O型圈有限元分析如图 2所示的结构模型中，轴芯与支座之间的密封工作由两接触锥面之间的O型圈来完成。
由于模型的轴对称性，仅对其一部分（1°角）进行分析（图 3）。
O型圈被轴芯的竖直向下移动压入支座的凹槽内。
O形橡胶密封圈密封性能的有限元分析_谭晶
= W/ 本文使用的 C1 和 C2 分别为 1 87和 0 47。 2 3 边界 (状态 ) 非线性 密封计算的边 界条 件非常 复杂, 包 含接触 计算。 接触问题的 复 杂性 是由 于系 统 接触 状态 的改 变 造成 的, 故接触问题又被称为是广泛存在于工程实际的一 个复杂的状态非线性问题。密封圈和轴套的接触属于
66
润 滑与密封
总第 181期
图 1中 r2 为轴套 槽口 倒角半 径; d0 为 O 形 密封 圈界面直径; b为轴 套沟槽宽 度; 为 O 形 密封 圈变
形后刚体与轴 套的 间隙; b1 为 O 形密封 圈变 形后 接 触宽度。
2 有限元分析模型
橡胶密封 件 的密 封计 算 涉及 到 固体 力 学、摩 擦
指数 双曲 ( expon en tial hyp erbolic) 法 则 以 及基 于 连
续体的表 象学 方法 的 M ooney R iv lin、 K losenr S egal模
型和 O gden T schoeg l模型 [ 5- 8] 。目前广泛采用 M ooney
Rev lin模型描述橡胶材料的应 变能函数, 同时 附加体
学、高分子材料学以 及计算方 法等 方面的 理论 知识,
因此要对其进行精确研究在理论上存在困难, 难以全
真模拟。现简单介绍密封结构中的三重非线性和为简
化问题的研究而进行的基本假设。
2 1 几何非线性
O 形密封圈是一种挤压形密封件, 靠预压 缩后产
生的回弹力给密封 接触面 一定压 力, 达到 密封 目的。
摘要: 利用 AN SY S建立了液压系统中液压缸用 O 形橡胶密封圈的二维轴对称模型, 分析计算了 O 形密封圈缸筒和 轴套的间隙、密封轴套槽口倒角半径、O 形密封圈的截面尺寸、橡胶材料参数、初始压缩率对密封面最大接触压力和剪 切应力的影响。结果表明: O 形密封圈缸筒和轴套的间隙对剪切应力的影响很大; 轴套沟槽宽度、 O 形密封圈的截面尺 寸和橡胶材料参数对密封面最大接触压力的影响很大; 初始压缩率对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都很大; 对 于本文分析的结构, 在其它条件不变的情况下密封轴套槽口倒角半径对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都不大; 分析结果验证了长期使用的经验设计。
O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟
O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟李振涛;孙鑫晖;张玉满;郝木明【摘要】ABAQUS was utilized to establish the axisymmetric model of O-ring seals used for subsea production equipment. The distributions of the Von Mises stresses and the sealing surface contact stresses were discussed and the places of material failure were defined. The influence of compression ratios and oil pressures on the max Von Mises stresses,the max contact stresses as well as the differences of the max contact stresses and oil pressures were analyzed. The results show that the max Von Mises stresses and the max contact stresses of O-ring seals increase as compression ratios or oil pressures increase , and the sealing performance in low pressure is better than that in super high pressure, which provides references for the structural design and selection of O-ring seals used for subsea production equipment.%利用ABAQUS软件建立海底采油设备用O形密封圈轴对称模型,对其在不同压缩率、不同油压时的Von Mises应力及密封面接触压力分布规律进行探讨,确定O形密封圈材料易失效位置；分析压缩率和油压对O形密封圈最大Von Mises应力、最大接触压力及最大接触压与油压压差的影响.结果表明:O形密封圈最大Von Mises应力、密封面最大接触压力随压缩率和油压的增加而增加,且O形密封圈在中低高压下的密封能力高于超高下的密封能力,为海底采油设备用O形密封圈的结构设计及选型提供相关参考.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)009【总页数】5页(P86-90)【关键词】O形密封圈;Von Mises应力;接触压力;非线性有限元分析【作者】李振涛;孙鑫晖;张玉满;郝木明【作者单位】中国石油大学(华东)密封技术研究所山东东营257061;中国石油大学(华东)密封技术研究所山东东营257061;中国石油大学(华东)密封技术研究所山东东营257061;中国石油大学(华东)密封技术研究所山东东营257061【正文语种】中文【中图分类】TB42O形密封圈因其结构简单、易于安装拆卸等优点，在各领域得到广泛应用。
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 。
基于ANSYS的橡胶O型密封圈仿真分析
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
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
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]，
F=[C]x (2)其中，[C]为阻尼常数，根据Reyleigh阻尼定义，[C]= [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 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。
（a）总变形量
（b）等效应力图2 静力仿真结果图3 刚度—变形量曲线
·
图4 位移响应
图5 载荷响应
图6 滞回曲线。
基于有限元的O形密封圈密封性能分析[文档资料]
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基于有限元的O形密封圈密封性能分析本文档格式为WORD,感谢你的阅读。
针对较为常用的O形橡胶密封圈，在有限元软件Abaqus中对其静密封性能进行了仿真模拟，并研究了介质压力、摩擦因数和预压缩量对密封圈密封性能的影响规律。
通过数值模拟可以实现对O形密封圈密封性能的预测，为密封圈的设计和应用提供了理论依据，同时也为其他结构密封圈的分析提供参考。
O形密封圈由于其结构简单、密封性能好且制造费用低，被广泛地应用于机床、船舶、汽车、航空航天、冶金、化工以及铁道机械等行业，一般安装在外圆或内圆上截面为矩形的沟槽内起密封作用，适用于静密封和往复运动密封。
O形密封圈是一种双向作用的密封件，安装时径向或轴向方向给定一定的预压缩，使其具备初始密封能力，再在系统压力作用下产生密封力，与初始密封力合成总的密封力，实现对系统的密封。
通常，为防止出现永久的塑性变形， O形圈允许的最大压缩量在静密封中约为30%，在动密封中约为20%。
在静密封中，无挡圈时， O形密封圈的最高工作压力可达20MPa。
由于影响 O形圈密封性能的因素较多，本文采用有限元软件Abaqus对静密封中的 O形圈的密封性能进行分析，并研究预压缩量、摩擦因素和介质压力对其密封性能的影响。
二、有限元模型1.材料参数O形密封圈采用的橡胶材料具有高度非线性，即几何非线性、材料非线性和接触非线性。
在分析之前，需要做以下假设：材料具有确定的弹性模量和泊松比；材料的拉伸和压缩蠕变性质相同；密封圈受到的纵向压缩视为有约束边界的指定位移引起的；蠕变不引起体积的变化。
2.几何模型密封圈及沟槽截面图，密封圈的材料为丁腈橡胶（NBR），其规格为150mm×5.33mm。
在Abaqus中建立活塞杆、凹槽和密封圈的二维轴对称模型，活塞杆和凹槽材料为40Cr，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。
分别建立密封圈与凹槽和活塞杆两组接触面，采用罚函数模拟面与面之间的接触，设定初始摩擦因数为0.2。
O形密封圈的有限元分析
□姚春峰“ □李萌"2
□
1. 中通客车控股股份有限公司
2. 山东通盛制冷设备有限公司
高立超''2 □洪杰胜门 山东聊城 252000 山东聊城252000
摘 要：应用ANSYS Workbench软件建立0形密封圈二维轴对称有限元模型，分析不同边界条件
下0形密封圈所受的等效应力、接触应力、剪切应力，得到0形密封圈发生偶发破损的主要原因。与此
同时，拟合出压缩率与轴孔间隙，以及压缩率与接触应力之间的关系，得到等效应力、接触应力、剪切应
力间的变化关系，并提出优化设计建议。
关键词：密封圈 有限元 分析
中图分类号:TH136；TB42
文献标志码:A
文章编号:1000 - 4998(2019)05-0065-04
Abstract: The 2D axisymmetric finite element model of O-ring was established by ANSYS Workbench
一般将邵氏硬度(HA)不小于80的密封圈称为硬 质密封圈，橡胶材料硬度与弹性模量的试验拟合公式 为：
F— 15.75+2.15Hha _ 100-Hha
(( )
式中：E为O形密封圈弹性模量；Hha为O形密封圈邵 氏硬度(HA)O
对于体积不变的橡胶材料，弹性模量、剪切模量、 材料不可压缩常数及两个材料定常数之间有如下关系 式〔7-9]：
根据密封原理进行了简化，具体原则及思路如下。
MPa。O形密封圈最大接触应力在0形密封圈与O形
模拟O形密封圈与0形密封圈接头之间的过盈 密封圈接头接合面处，数值为1.425 8 MPao最大剪切
基于ANSYS Workbench的O形橡胶密封圈有限元分析
基于ANSYS Workbench的O形橡胶密封圈有限元分析
陈宏;徐锐;鲜海峰;窦天鹏;刘清鹏;盛强;刘坤林
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2024(60)3
【摘要】为了研究O形橡胶密封圈(以下简称O形圈)的压缩率与接触压强的关系,首先通过ANSYS Workbench有限元分析软件对装置结构进行必要的模型简化,其次进行关键的边界条件设置及载荷的施加等操作,最后完成非线性静态有限元分析。
采用后处理分析技术,得到该装置结构的变形量及von Mises应力分布图。
结合实际工况,分析螺栓预紧力、O形圈压缩率及接触压强之间的关系,保证介质(含压气体或液体)密封的接触压强满足工况需求,确保介质密封的有效性和可靠性。
【总页数】4页(P158-161)
【作者】陈宏;徐锐;鲜海峰;窦天鹏;刘清鹏;盛强;刘坤林
【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】G63
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橡胶O形密封圈的非线性有限元分析
收稿日期:2004-08-11作者简介:王伟(1971-),男,硕士,主要从事轮胎和橡胶制品结构有限元分析及其应用的研究1E 2mail:wdavid1@1631com 1橡胶O 形密封圈的非线性有限元分析王 伟 赵树高(青岛科技大学高分子科学与工程学院橡塑材料与工程教育部重点实验室 山东青岛266042)摘要:借助于大型非线性有限元分析软件M S C 1MARC,建立了橡胶O 形圈与沟槽接触的非线性有限元分析模型,分析了橡胶O 形圈在安装和使用中的接触变形、接触宽度和密封界面上的接触应力分布规律,从而为进一步可靠设计、优化橡胶O 形圈提供了理论依据。
关键词:橡胶O 形密封圈;接触问题;非线性有限元中图分类号:T Q33611 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2005)4-106-2Nonli n ear F i n ite Ele m ent Ana lysis of Rubber O 2sea li n g Ri n gW a ng W e i Zhao S hugao(Key Laborat ory of Rubber 2p lastics ofM inistry of Educati on,School of Poly mer Science &Engineering,Q ingdao University of Science &Technol ogy,Q ingdao 266042,China )Abstract:W ith the help of commercial nonlinear finite element analysis code,MSC .MARC,a nonlinear finite elementmodel for rubber O 2sealing ring and its groove were set up.The contact defor mation,contact width and the distributi on of contact stress within the sealing interface were discussed 1It puts for ward a theory base on designing and op ti m izing rubber O 2sealing ring .Keywords:rubber O 2sealing ring;contact p r oblem;nonlinear finite element 橡胶密封件广泛应用于机械设备中,其性能直接影响设备的正常工作,密封件失效有时甚至会引起重大事故。
基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡胶密封圈有限元模拟
O 型橡胶密封圈因为价格便宜，制造简单，功能可靠，并且安装要求简单，O 形环是在机械设计中最常见的密封件。有 限元模拟手段可以对 O 型橡胶密封圈的工况响应做出正确的描述，为设计工程师针对 O 型橡胶密封圈的选择与密封性能是否 达标提供理论依据。
一、问题描述
图3 · 71 ·
IM 软 件 世 界
图4
三、分析设定
1. 静态非线性分析 因为材料属性，结构的特点，工况状态 360°圆周对称。 选择轴对称 2D 简化算例，如图 5 所示。
图6 O 型密封圈压紧，如图 7 所示。
图5 2．材料属性定义 树脂件、钢板使用线性弹性各向同行材料模型，O 型 密封圈使用超弹性 -Mooney Rivlin 材料模型。 Simulation 提供超弹性材料模型用于为类橡胶材料建 模，其中的解会涉及大变形。假设材料为非线性弹性、同向 性且不可压缩。这种材料的有限元素公式由于材料的不可压 缩性而计算困难。根据压缩性在应变能密度函数中的引入， 可以使用一种惩罚方法将附加自由度组合到整体刚度矩阵 中。引入惩罚函数后将应变能函数从不可压缩修改为接近不 可压缩。软件提供支持超弹性 -Mooney Rivlin、Ogden、 Blatz-Ko 模型。 3. 定义接触条件 选择密封圈与两零件直接为曲面到曲面的无穿透接触， 如图 6 所示。 4. 边界条件施加 固定约束树脂零件下边线，钣金零件施加位移约束是
图17图18图19四结语1模型的简化要准确表达所关注问题不要想着一个分析算例解决所有关注的问题根据关注问题可以分步计算模拟当有限元计算的结果不能直接用来判断所关注问题是否可以找到分析得到的参数间接判断问题
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基于 SOLIDWORKS Simulation 的 O 型橡胶密封圈有限元模拟
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基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡胶密封圈有限元
模拟
李跃超
【期刊名称】《《CAD/CAM与制造业信息化》》
【年(卷),期】2016(000)002
【摘要】O型橡胶密封圈因为价格便宜,制造简单,功能可靠,并且安装要求简单,O 形环是在机械设计中最常见的密封件。
有限元模拟手段可以对O型橡胶密封圈的工况响应做出正确的描述,为设计工程师针对O型橡胶密封圈的选择与密封性能是否达标提供理论依据。
【总页数】3页(P71-73)
【作者】李跃超
【作者单位】北京盛维安泰系统技术有限公司
【正文语种】中文
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