O形密封圈的有限元力学分析_陈国定

陈国定

　

文章编号:1003-8728(2000)05-0740-02

O形密封圈的有限元力学分析

陈国定1,Haiser H2,Haas W2,Lechner G2

(1西北工业大学,西安710072;2斯图加特大学,德国斯图加特)

摘　要:采用大型有限元分析程序M ARC/M enta t320对O形密封圈在“安装”状态和密封流体介质作用下的力学性能进行了分析,研究了造成密封圈撕裂损坏及材料松弛的当量Cauchy应力峰值大小及位置随密封流体介质作用的变化情况,以及轴和密封接触面间的接触压力及剪应力分布状态。为重要场合下O形密封圈的正确选用提供了一种方法。

关　键　词:O形密封圈;有限元分析

中图分类号:T H136 文献标识码:A

引　言

O形密封圈由于成本低廉,结构简单以及安装使用方便等优点,因而广泛用于汽车、动力机械及流体液压机械等领域。它不仅用于径向和轴向的静密封,而且也用于速度及密封流体介质压力较小条件下的动密封。除了作为主密封零件外, O形密封圈还常常作为辅助密封件。近年来由于采用了如聚四氟乙烯(P T FE)等新型材料,使得O形密封圈的应用突破了传统的范围,在工业界各个领域发挥着更大的作用。

尽管O形封圈结构简单,人们也习惯于按照标准选择和安装O形密封圈,但有关O形密封圈的有限元力学分析在国内尚少见,而这种分析对于O形密封圈在重要场合下的正确应用是十分必要的。基于此,本文在这方面做了一些基础性工作。

1　数学模型

本文计算的O形密封圈选自德国Busak+Shamban Gm6H公司的产品,型号为O-Ring45×5.3。O形密封圈结构尺寸及安装尺寸均满足ISO3601标准。

O形密封圈材料为腈基丁二烯橡胶(N BR),硬度为IRHD(国际橡胶硬度等级)85。

虽然,O形密封圈结构很简单,但其有限元分析却相当困难,这主要是因为橡胶材料的密封圈力学模型具有强烈的几何和材料非线性特性。尽管O形密封圈在工作过程中可以认为始终是弹性材料,但在其工作过程中产生的变形和其本身的几何尺寸为同一数量级,因而有限元分析中的平衡方程和几何关系都是非线性的。此外,在其变形范围内,应力应变关系亦为非线性的[1]。还应当指出的是,橡胶材料在变形保持不变条件下,由于材料的粘性而使应力衰减(称为松弛)或者在载荷保持不变条件下,也由于材料粘性而使变形继续增加(称为蠕变),又使得O形密封圈力学模型可能成为依赖于时间的粘弹性问题。为简单起见,本文并未考虑松弛及蠕变的影响。

在本文的有限元分析中,采用完全Lag rang e格式的增量分析方法来解决O形密封圈的几何非线性问题,即在分析过程中,所有静力学和运动学变量总是参考(始终保持不变的)初始位形。具体分析方法可参考文献[2]。分析中采用的橡胶材料模型为近似不可压缩弹性材料的穆尼-瑞林(M oo ney-Rirlin)模型[1],和材料的应变能偏量部分有关的两个材料常数C10和C01(常称之为穆尼材料常数)可由从实验获得的经验公式[3]中根据橡胶材料的硬度(或弹性模量)计算得出,本文使用的C10和C01分别为1.87和0.47。

本文建立的轴对称有限元模型由328个四节点四边形单元组成,节点数共365个(如图1所示)。相比于密封材料,轴及箱体安装槽表面均可认为是刚性的,只有O形密封圈发生变形。计算中的安装过盈量是按ISO3601标准选定的,当“安装”结束后,O形密封圈的密封一侧开始作用有分布载荷(模拟密封流体介质的作用),此分布载荷从0M Pa一直增加到 3.0M Pa,从而可获得不同压力的流体介质对密封圈力学性能的影响。本文的有限元分析是采用M ARC/M enta t320有限元分析软件进行的。其中部分后处理工作得到了Excel和M ic rog ra fx Desig ner7数据处理软件的支持。

2　计算结果及分析

图2和图3分别表示了O形密封圈“安装”后和“安装”后再在密封圈流体介质一侧加有3M Pa分布载荷情况下,密封

第19卷　第5期2000年 9月

机械科学与技术

M EC HAN ICA L SCIEN CE AN D T ECHN O LO G Y

V o l.19　No.5

Sep　2000

⒇收稿日期:19990812

基金项目:国家留学生基金(97519101)资助

作者简介:陈国定(1956-),男(汉族),安徽滁县人,西北工业大学教授DOI:10.13433/https://www.360docs.net/doc/f0828108.html, k i.1003-8728.2000.05.020

圈剖面上当量Cauchy 应力的分布。M A RC /M enta t 320软件

中给出的当量Cauchy 应力为e -={[(e 1-e 2)2+(e 2-e 3)2

+

(e 3-e 1)2]/2}

1/2,它反映了密封圈截面上各主应力差值的大小。一般来讲,应力值越大的区域,材料越容易出现裂纹,随之

密封圈发生撕裂破坏。此外,应力越大,将加速橡胶材料的松弛,从而造成“刚度”下降。从图中可以看出,随着密封流体介质压力的增加,O 形密封圈剖面上当量Ca uchy 应力峰区域发生了转移,而且峰值增大。另外,当流体介质压力较大时,非压力侧的箱体与轴之间的间隙应较小,以防密封圈材料被挤出,或者此时在非压力侧加装支承环

。

图4表示了三种工况条件下,轴和密封圈接触面上的接触压力(正应力)的分布。接触压力的大小反映了O 形密封圈的密封能力。图中表明,随着密封流体介质压力的增加,接触压力亦随之增加,其峰值总是大于流体介质压力,这就保证了O 形密封圈的密封功能,也反映了O 形密封圈的“自动”密封能力[4]

。因此,选定合适的安装过盈量是非常

重要的,既要保证密封,又要使截面上的应力尽量小,保证密封零件有较长的寿命

。

图5为上述三种工况条件下,轴和密封圈接触面上的剪应力分布。显然,随着流体介质压力的增加,接触面上的剪应力也增大。此外,剪应力分布具有向压力侧扭曲的现象,这是因为压力侧附近的材料具有更大的位移,由于橡胶材料的粘滞作用,从而产生更大的剪切应力。

(下转第744页)

741

第5期

陈国定等:O 形密封圈的有限元力学分析

图4　极点配置控制跟踪性能

5　结论

Δ变换为离散域内精确反映连续物理系统的特性提供了有力工具。当采样周期T→0时,其零极点收敛于连续域拉氏变换的零极点,表达直观,控制器设计更方便、精确。计算机有限字长实现时,Δ算子受舍入截尾扰动的影响较小,算法稳定,这在极点配置控制器仿真中得到验证。

[参考文献]

[1]　Daniels J.Th e Case fo r Semi-automatic Trans missions[J].

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teristics in Digital Con trol Using Operator[J].IEEE Trans.

On Au tom.Control,1986,31(11):1015～1021

Discrete Control of Electrical

Controllable Clutches

Using Delta Operators

C HEN Li,XI Gang,

HU AN G Wei-g ang,ZHANG J ian-w u

(Sha nghai J iao tong U niv er sity,Shanghai200030)

Abstract:A discr ete mo del described byΔtra nsfo rm con-v e rges to its co ntinuo us co unterpar t as sa mple time T →0.Δtr ansfo rm w as intro duced into the clutch en-gag ing pr ocess co nt rol in AM T o f auto mobile.A pole-placement contr oller to track the idea l ang le velocity o f o utput https://www.360docs.net/doc/f0828108.html, par ed with Z tra nsfo rm,Δtra ns-fo rm has bet ter pe rfo rmance fo r ro und of f noise caused by finite wo rd leng th,but mor e ca lcula tio ns is needed.

Key words:Electrically contr ollable clutches;Δtransfor m;

Finite wo rd leng th;Discretiza tio n

(上接第741页) 3　结束语

本文采用有限元方法对O形密封圈的力学性能进行了分析,这不仅可以进一步加深对O形密封圈性能的了解,而且也提供了在重要场合下正确选用O形密封圈的一种方法,这一分析思路,也适用于其它类型的密封零件。

[参考文献]

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W ellendich trings[D].Univ ersitat Stuttgar t,1995

[4]　M uller Heinz K.Abdichtung bew egter M as chinen teile[M].

M edienverlag,Ursula Mǜller,Germany,1990

Analysis of Elastomeric O-Ring

Seals Using the Finite

Element Method

CHEN Guo-ding1,Haiser H,

H aas W,Lech ner G

(1No r th wester n Poly technical U niv ersity,Xi′an710072)

Abstract:An analysis of the m echanical cha racteristics of ela stomeric O-ring sea ls under the opera tio n condi-tio ns w as perfo rmed using a comme rcially av ailable fi-nite element co de M A RC/M entat320.Inv estig atio ns w ere also made into the influence of liquid medium o n the distributio n o f equiv alent cauchy str ess,which may co ntribute to crack initia tio n inside the seal a nd a s

a r esult may lead to local separ atio n and leakage,and

into th e distributio ns o f co ntact stress and shear str ess occur red at th e sea ling co nta ct ar ea.The a nalysis method in this paper is co nducive to the co rr ect selec-tio n of O-ring seals especially in case of impo rta nt ap-plica tions.

Key words:O-ring sea ls;F EM

744机械科学与技术第19卷