基于SolidWorksSimulation的O型圈锥面密封非线性分析

1、    基于solidworkssimulation的o型圈锥面密封非线性分析    潘广堂【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

2、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

3、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42 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。轴芯和支座由35crmo制成。在solidworks simulation中创建一个静态非线性分析，自动步进，时间增量为0.01，使用大型

4、位移公式并选择direct sparse解算器，奇异性消除因子设置为0。o型圈的材料模型设定为超弹性 mooney rivlin6，各项材料参数依据表 1。设置模型的前、后、左、右均不可移动，支座底面固定，轴芯顶面向下移动3.4mm，如图 3。定义o型圈与轴芯、支座接触的各面接触类型为无穿透；并对各接触面使用网格精细划分，选择基于曲率的网格，最大单元大小设为1。分析后获得应力云图如图 4所示。分析结果的接触应力与支座反作用力如图 5、图 6所示，其最大接触应力为cpmax=17mpa，最大反力为fn1=103n，所以支座整体反力fn=fn1×360=37kno 型橡胶密封圈在工作状态

5、下接触应力cpmax是失效准则和失效判断的第一条件，如果cpmax的值小于介质压力p，则会导致介质泄漏，即密封失效，所以最大接触应力应满足时效准则即保证密封条件：cpmaxp。由此可知该密封方案可密封17mpa介质压力。由图 5可见，接触应力主要集中在轴芯锥面、支座凹槽底面与柱面，所以在零部件加工制造、装配时应特别注意这三个接触面的精度。3 结论本文介绍了非线性分析方法以及在工程中的应用的相关材料模型，并使用solidworks simulation对支座与轴芯之间密封圈做非线性分析，获得最大接触应力与支座反作用力，确定了锥面密封中起主要作用的接触面，为锥面密封的合理设计、加工制造提供了理论依

6、据和改进建议。【参考文献】1邵雅梅，周思柱，李宁.采油井口非标准卡箍设计及有限元分析j.长江大学学报（自然科学版）理工卷，2008（01）：279-281.2f. g. lyalina v k s a. new design for a clamp connectionj.chemical and petroleum engineering，1995，vol.30（9）.3史战新，甘霖.卡箍式快开对接法兰结构分析j.舰船科学技术，2012，34（11）：75-81.4杨春明，谢禹钧，韩春雨.基于ansys的橡胶o形密封圈密封性能的有限元分析j.石油和化工设备，2010，13（4）：21-24.5任全彬，蔡体敏，王荣桥，等.橡胶“o”形密封圈结构参数和失效准则研究j.固体火箭技术，