做和橡塑往复密封有限元分析

橡塑往复密封有限元分析

摘 要：本文采用ANSYS有限元程序，使用Moon-Rivlin材料模型，对橡塑往复密封在装配条件、工作条件下的力学行为进行了数值模拟，给出了应力、应变、装配压力等分布图，计算结果具有较高的工程应用价值。

关键词：往复密封 有限元

1 前言

橡塑构件模拟分析属于高度非线性问题，涉及到材料非线性、几何非线性、状态非线性。ANSYS有限元程序具有较强的非线性求解功能，本文使用Moon-Rivlin材料模型，通过试验数据拟合，给出了不同个数的Moon-Rivlin材料模型参数，对橡塑往复密封在装配条件、工作条件下的力学行为进行了数值模拟，给出了应力、应变、装配压力等分布图，计算结果具有较高的工程应用价值。

2 超弹性橡胶材料模型

2.1超弹性理论

橡胶是一种超弹性材料，具有良好的伸缩性和复原性，因而被广泛应用。相对于金属材料的性能表征只需要较少的参数，橡胶的特性就显得错综复杂。橡胶的材料特性和几何特性，都是呈非线性变化的。因而基于各向同性假说，用一个统一的数值来对橡胶进行表征具有重要意义，这个数值就叫应变能密度函数（W），该函数是一个应变或变形张量的标量函数，它对应变分量的导数就是相应的应力分量：

[S]= W/ [E]

其中：[S]--- 第二Piola-Kirchhoff应力张量

W --- 单位体积的应变能函数

[E]--- Lagrangian应变张量

在ANSYS中，应变能密度函数用多项式表示为：

其中： akl----九参数三阶Mooney-Rivlin关系常数，k为体积模量。

k=2（a10+a01)/(v)

当N=1时，二常数应变能密度函数展开式：

当N=2时，五常数应变能密度函数展开式：

当N=3时，九常数应变能密度函数展开式：

其中Ii是应变不变量，是一种与坐标系无关的应变表示法，使用他们就意味着材料被假定为各向同性的。超弹性材料的弹性变形是纯弹性应变，是一种保守行为，与加载路径无关。大多数超弹材料，特别是橡胶，都是几乎不可压的，不可压材料在静水压力下不产生变形，几乎不可压材料的泊松比一般在0.48到0.50之间。

2.2超弹性材料性能测定

Mooney-RivlinCNTs具有非常大的长径比是 ANSYS中一种适用于不可压缩的橡胶类材料选项，可以使用二、五、九个常数来描述材料特性。因此要想获得精确的计算结果，必需准确的计算Mooney-Rivlin常数。计算常数时，需要试验测试应力应变数据，而且是多种变形模式的试验数据的组合信息，至少测试数据要能代表计算模型中所有的的变形模态和响应范围。

对超弹性材料而言，六种变形模式能被用来精确定义Mooney-Rivlin常数，由于多向拉伸和静水压力作用在不可压材料上能导致不同的应力，却不能改变材料的形变，因此六种变形模式可简化为三种变形模式：单轴拉伸（等效的等双轴压缩）、单轴压缩（等效的等双轴拉伸）、剪切（平面拉伸或压缩）。

图1 等效的变形模式

根据以上超弹性材料变形模式的分析，选取单轴拉伸、单轴压缩、平面拉伸三种模式对橡胶进行材料性能测试。

2.3 Mooney-Rivlin常数计算结果

把试验数据输入ANSYS软件进行拟合，求解Mooney-Rivlin常数。

图2 二常数Mooney-Rivlin计算曲线与测试数据曲线（拉、压、剪）

图3 五常数Mooney-Rivlin计算曲线与测试数据曲线（拉、压、剪）

图 4 九个Mooney-Rivlin常数计算曲线与测试数据曲线（拉、压、剪）

3.橡塑往复密封件有限元模拟计算

3.1计算模型

采用典型的橡塑组合密封件作为计算模型。结构由三部分组成:上面聚四氟乙烯块；中间橡胶圈（O型、X型）；底部为金属槽。

3.2材料模型

首先聚四氟乙烯材料为塑性材料，采用双线性随动强化材料模型来模拟，参数选取如下：

弹性模量：E=1.0GPa；屈服强度：σy=18MPa；屈服应变：ey=1.6%；切向模量：Et=0.12GPa； 泊松比：u=0.35。

橡胶选用Moon-Rivlin材料模型。

金属材料模型为简化计算，采用刚体模型。

3.3单元格划分

橡胶材料采用HYPER74超弹性8节点单元，聚四氟乙烯材料采用PLANE82平面8节点单元。接触面单元选用CONTA172单元，靶面单元采用TARGE169单元。

3.4主要边界条件

装配条件下，橡胶圈纵向变形25%。

4.计算结果

经过计算，得出了橡塑组合密封件在装配条件下的位移分布云图、应力分布云图如图。

给出O型夹具和试样都要放置在高温环境中来完成拉伸实验胶圈与金属槽交接处沿X、Y方向的应力变化曲线：

图11 装配条件下组合密封件压件底部X、Y方向应力图

给出X型往复密封件在装配条件下的位移变形云图。

图12 X型往复密封件装配条件下变形图 图13 X型往复密封件工作条件下变形图

5 结论

通过对O型往复密气力单位T、Kg、N、KN、g、lb封件、X型往复密封件的模拟分析，得出了在装配条件、工作条件下应力、变形、装配压力等分布图，计算结果具有较高的工程应用价值。说明ANSYS有限元程序具有较强的非线性求解功能，能够解决涉及材料非线性、几何非线性、状态非线性的下降产品失效的可能性复杂问题。(end)