用于液压机构的矩形密封圈有限元分析房熊;单旸;金石磊;李小慧【摘要】在液压机构中，转轴组件与转动套组件之间的密封一般靠矩形密封圈来保证，在实际使用过程中密封圈密封效果的好坏直接影响着转轴的工作，所以密封圈在液压机构中起着十分重要的作用。
该文从实际情况出发，首先在 SolidWorks 软件中建立旋转机构的三维造型，然后根据分析对象和内容对模型进行合理简化，选择了3种应用工况，通过 ANSYS 软件模拟分析得出了对应工况下的密封圈受力情况，并评估了密封圈的危险区域，为密封圈的优化设计和安全使用提供参考和依据。
%In the hydraulic unit,the seal between the rotating shaft unit and rotating sleeve unit generally is realized by rectangular sealing ring,and the seal effect directly affects the working status of the rotating shaft,so rectangular sealing ring plays an important role in the hydraulic unit.Based on the actual situation,firstly 3D-model of rotating unit was built with SolidWorks software,and then the model was predigested reasonably according to the analysis object and content.The stress cloud of the rectangular sealing ring was simulated by ANSYA software under three pressure conditions,and the dangerous zone was gained.This study can provide reference and basis for the optimized design and safe use of rectangular sealing rings.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P889-891,907)【关键词】矩形密封圈;有限元分析;SolidWorks 软件;ANSYS 软件【作者】房熊;单旸;金石磊;李小慧【作者单位】上海材料研究所，上海 200437; 上海市工程材料应用评价重点实验室，上海 200437;上海材料研究所，上海 200437; 上海市工程材料应用评价重点实验室，上海 200437;上海材料研究所，上海 200437; 上海市工程材料应用评价重点实验室，上海 200437;上海材料研究所，上海 200437; 上海市工程材料应用评价重点实验室，上海 200437【正文语种】中文【中图分类】TB42在液压机构中一般采用组合密封圈进行密封，需根据沟槽、实际工况选取合理的密封结构及尺寸.对组合密封圈的理论分析和实际使用分析，前人已经进行了大量的研究和探索［1-2］.王伟等［3］对O型密封圈的非线性进行了有限元分析研究，叶珍霞等［4］对密封结构中的超弹性接触问题进行了有限元分析研究，但目前国内对于矩形密封圈的理论分析和研究却鲜有报道.为此，笔者使用ANSYS软件对液压机构中的矩形密封圈进行了模拟仿真，以期为矩形密封圈的进一步优化设计和提高密封圈设计精度提供新的方法和手段.计算机辅助工程（CAE）从20世纪60年代初在工程上开始应用至今，已经历了50多年的发展，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段.随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节.CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题.其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，通过将连续体离散化把求解连续体的场变量（应力、位移、压力、温度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量，求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数. ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件.由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发.作为一个大型的CAE分析软件，ANSYS软件自20世纪70年代诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用［1］.ANSYS软件能与多数CAD软件接口实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE 工具之一.借助ANSYS分析软件技术确保产品设计的合理性、减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期，在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，从而预测出产品在整个生命周期内的可靠性.通过ANSYS分析可在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题并及时地进行设计修复；也可以对机械事故进行分析和论证，查找出事故原因.液压配流机构主要由以下几部分组成：转轴组件、转动套组件、橡胶体、滑环等.根据实际的产品模型通过Solid Works软件进行三维建模，其中橡胶体尺寸为3.5mm×3.5mm，滑环尺寸为3.8mm× 2.5mm，如图1所示.模型中弹性元件材料为丁腈橡胶，滑环材料为聚四氟乙烯，转轴组件和转动套组件材料为45钢. 2.1 橡胶材料的分析概述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，因此要对其进行精确研究在理论上存在困难.该研究所涉及的几何非线性、橡胶体超弹材料非线性、边界（状态）非线性知识和进行的一些相关假设均参照前人所开展的研究［2-4］.密封圈依靠弹性体材料的弹性在初始装配过盈量或预加载荷的作用下实现自密封.首先建立几何简化模型，其中金属材料模型采用线性材料模型，橡胶材料模型则采用Mooney-Rivlin模型，根据经验公式得出Mooney-Rivlin模型材料的参数C10，C01，d值.然后确定初始时密封圈的压缩量，划分网格，选取目标面和接触面，添加约束载荷，最终求解.2.2 材料本构模型45钢是典型的工程用钢，与橡胶以及聚四氟乙烯等材料相比可以看作一个刚体.在整个分析过程中刚性体始终在其线性范围内，金属材料既没有发生屈服变形也没有产生断裂情况，所以金属材料的本构关系为线性状态，其参数主要为：弹性模量E= 200 GPa，泊松比ν=0.304.对于柔性体来说，其材料分别为丁腈橡胶和聚四氟乙烯，由于橡胶本构关系的非线性化，以及橡胶制品在应用时的大变形、接触非线性边界条件使其工程模拟变得非常困难.模拟的准确性与采用的本构关系模型以及模型中材料常数的准确性有密切关系.所以该次分析以橡胶中常用的Mooney-Rivlin模型作为橡胶的本构模型.根据工况，聚四乙烯氟材料在使用中始终处于线性范围内，所以输入其弹性模量（1.2 GPa）以及泊松比（0.241）［5］.材料参数的确定：Mooney-Rivlin模型是专门针对非线性弹性体建立的，其广泛应用于各种分析软件中，该模型能很好地描述橡胶材料的力学行为及特性.通过以往积累的工作经验得知Mooney-Rivlin模型中材料常数与材料弹性模量以及橡胶的硬度有一定的关系，通过以往的经验公式：E=（15.75+2.15Ha）/（100-Ha），C10=E/6，C01= 0.25C10（其中Ha为橡胶材料的硬度），计算得出Mooney-Rivlin模型中丁腈橡胶常数如下：C10= 1.251 6，C01=0.312 9，d=0，然后输入程序中.由于机构的建模是三维模型，所以在ANSYS中选取SOLID186单元体并进行网格划分，通过网格划分把实体模型分解成若干个实体单元，通过对每个单元进行材料属性的赋予，便可在计算机中模拟出真实的实物.如图2所示.根据有限元的分析原则，刚性面总是目标面，柔性面总是接触面［6］，定义分析模型的3组接触面组，分别是转动套-橡胶体、滑环-橡胶体、滑环-转轴.根据实际工况定义3组载荷，油压分别为2，10，28 MPa.矩形橡胶圈的压缩量取20%，该次分析为静密封分析，暂不考虑旋转速率的影响.分析完成后查看密封圈的Von Mises应力云图，并获取相应压力状态下密封圈的最大位移量.图3～5中颜色越红表示数值越大，颜色越蓝表示数值越小，应力云图表示在受到载荷情况下物体的应力分布情况.根据3组不同压力情况下的分析结果，统计矩形密封圈所受的最大Von Mises应力以及密封圈的最大位移量，如1表所示.（1）通过计算得出了矩型密封圈的Von Mises应力云图以及位移变化.根据应力云图可以得知密封圈的最大应力以及受力部位，这样可以预判密封圈是否能满足设计要求，同时对于相对危险的区域应进行增强从而保证其使用安全性；通过位移参数（2）对比3种油压情况，可见随着油压的升高，密封圈内部最大Von Mises 应力也随之升高，密封圈的位移量也增大，且增大的幅度随压力增大而递增.则可知密封圈在凹槽内空间的移动情况，据此对密封圈的外形及尺寸设计进行判断和优化.（3）矩形密封圈的密封面较大，且随着油压的升高密封面的变形较小，密封效果较好.（4）该文可为实际生产中矩形密封圈的设计和使用提供依据和参考，并且为密封圈的进一步优化设计提供理论基础.【相关文献】［1］魏旭东.机械CAD/CAM的发展趋势探究［J］.装备制造技术，2011（5）：95-96.［2］谭晶，杨卫民，丁玉梅，等.矩型橡胶密封圈的有限元分析［J］.润滑与密封，2007，32（2）：37-39.［3］王伟，赵树高.橡胶O型密封圈的非线性有限元分析［J］.润滑与密封，2005（4）：106-107.［4］叶珍霞，叶利民，朱海潮.密封结构中超弹性接触问题的有限元分析［J］.海军工程大学学报，2005，17（1）：110-112.［5］黄建龙，解广娟，刘正伟.基于Moon-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析［J］.橡胶工业，2008，55（8）：467-469.［6］殷闻，靳晓雄，仝光.两种常用橡胶本构模型的有限元分析及其仿真［J］.上海电机学院学报，2010，13（4）：216-218.。