【橡胶密封圈的有限元模型分析2800字】

V橡胶密封圈的有限元模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u9790橡胶密封圈的有限元模型分析 1263971.1有限元建模原则 1139621.2单元的类型与选用原则 248241.3基本假设 3235801.4有限元模型的建立 3276431.5边界条件及加载 41.1有限元建模原则有限元方法作为一种仿真计算，其结果的准确性与模型建立的准确性和边界条件施加的准确性息息相关。为了保证分析的精度，本文参照国家标准GB/T33582-2017拟定橡胶密封圈密封结构的建模原则[63]。（1）单位统一原则。ABAQUS是一款拥有交互界面和支持参数化建模的有限元分析软件，在进行参数化建模的过程中，其参数本身不含有默认的单位制，如果不进行统一，容易造成后续的计算中出现单位混乱。常见的单位制如表1.1所示。本文在建模过程中统一使用的是国际单位制(mm)。表1.1ABAQUS常用单位制Table1.1GeneralunitsystemofABAQUS参数国际单位制(m)国际单位制(mm)美制单位制(ft)英制单位制(inch)其他单位制(cm)长度mmmftincm力NNlbflbfN质量kgtonnesluglbfs2/in102kg时间sssss应力PaMPalbf/ft2psiN/cm2能量JmJftlbfinlbf10-2J密度kg/m3tonne/mm3slug/ft3lbfs2/in4102kg/cm3加速度m/s2mm/s2ft/s2in/s2cm/s2（2）几何模型简化原则。几何模型应该简洁准确的表达出完整的产品信息。对于复杂模型来说，应该在满足要求的情况下，删除一些无关紧要的结构特征，尽可能的对模型进行简化，在不影响结果的同时大大降低了分析难度，提升了效率。（3）有限元网格划分原则。应当保留主要的几何轮廓线，网格与几何轮廓基本保持一致。不同的单元类型能够反映出不同的结构形式，在建模时应该根据结构的几何特点，选取合适的单元类型。在选择单元阶次时应该注意，对于结构形状不规则或者变形与应力分布比较复杂的情况，应选用高阶单元；对于计算精度要求比较高的区域应选用高阶单元，要求不高的区域则应选择低阶单元。控制网格疏密时应当注意，对于结构、曲面曲率与载荷变化大或者不同材料连接的部位应当划分的更密一些，且各单元之间的单元尺寸应该过渡平滑，避免相邻单元间质量与刚度差别过大。（4）边界条件施加原则。对模型施加约束时应与实际情况保持一致，注意避免施加单点约束，以防出现应力集中现象。施加载荷时同样要注意与结构的实际受力情况保持一致，并对应选取合适的载荷类型。1.2单元的类型与选用原则在ABAQUS中有上百种不同的单元类型可供选择，对于二维单元来说，常用的是三角形和四边形单元；对于三维实体单元来说，常用的是四面体、六面体和楔形体单元。根据结点位移插值的阶数来分，可以分为线性单元、二次单元和修正二次单元。积分方法根据高斯积分函数和被积函数全部项次精确积分需要阶数的不同可分为完全积分与减缩积分，相对应有线性完全积分单元、二次完全积分单元、线性减缩积分单元和二次减缩积分单元，其中只有四边形和六面体单元可以选用减缩积分，而所有的四面体、三角形与楔形体实体单元则只能选用完全积分。对于相同的分析而言，选用不同的积分单元所得到的分析结果可能有较大的差别，有时甚至会出现分析不收敛与结果不正确等现象，选择合适的单元类型是有限元建模中非常关键的一步。不同的单元类型适用条件不同，也各自有各自的优缺点。线性完全积分单元在受到弯曲载荷的时候会发生剪切自锁；二次完全积分单元一般不会出现应力自锁，且计算应力较为准确，但是不能用于接触问题的分析；线性减缩积分对于位移的计算相当准确，即使网格扭曲变形也不会影响到分析精度，且同样在弯曲载荷下不会发生剪切自锁现象；二次减缩积分单元包含了线性减缩积分的所有优点，但是不适用于接触分析问题与大应变问题。对于一些常见的仿真类型的单元选取原则总结如表1.2所示。表1.2常见仿真类型的网格单元选用原则Table1.2Selectionprinciplesofcommonsimulationtypesofgridcells仿真类型最佳单元可变形体间的通用接触线性四边形或六面体弯曲接触非协调模式弯曲不接触二次四边形或六面体近不可压缩单元线性单元或二次减缩积分单元不可压缩单元四边形或六面体杂交单元，若有大变形可使用线性减缩积分单元金属体积成型线性减缩积分四边形或六面体单元复杂几何形状线性四边形或六面体单元固有频率二次单元非线性动力学线性单元1.3基本假设本章对橡胶密封圈的研究包括以下假设：（1）橡胶密封圈材料各向同性、完全弹性且均匀连续，其自身无任何缺陷。（2）橡胶密封圈材料体积不可压缩，且忽略其应力松弛特性及蠕变特性。（3）密封装置完全轴对称安装，不存在偏心，橡胶密封圈沿周向的安装状态相同。（4）建立密封几何模型的时候，由于活塞和缸体的刚度是密封圈的万倍以上，故可以视为刚体处理。刚体的沟槽是橡胶密封圈的变形约束条件，密封圈所受到的压缩是由活塞对其的相对位移所引起。1.4有限元模型的建立本研究所建立的模型尺寸均来自于某型伺服作动器，使用的橡胶密封圈的材料是涂有聚四氟乙烯涂层的丁腈橡胶，弹性模量为，泊松比为。其尺寸参数如下：内径为43.7mm，截面直径为1.65mm。本构模型采用的是两参数Mooney-Rivlin模型，其中参数由式(1.13)和式(1.14)确定，，。衬套的沟槽宽度为3.6mm，沟槽和活塞之间的配合间隙为0.7mm。衬套和活塞均采用合金钢材料，杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3。建模的基本思想是先将O形密封圈固定在沟槽中，然后对活塞杆施加一个向着密封圈方向的位移，使橡胶密封圈有一个初始的预应力，再在密封圈靠近油液的一侧施加压力载荷。下面我们对模型进行简化。橡胶密封圈的外圈直径远远大于它的横截面直径，所以在建模分析的时候可将其视为平面应变问题。橡胶密封圈、活塞与衬套的结构均为轴对称结构，且在橡胶O形密封圈的理想情况下，其轴向载荷也为轴对称。根据对称性原则，该建模问题属于轴对称问题，因此可以将三维模型分析转化为二维问题分析，降低了分析的难度。对有限元模型进行网格划分，活塞和衬套部分采用自由网格划分技术，单元类型为CPS4（四节点的四边形单元）。而对于橡胶密封圈，为了使分析结果更加精确，使用钱币画法对其进行更细密的网格划分，首先在圆截面正中间部分对一个小正方形进行细密划分网格，然后再以正方形为中心，向外放射划分比小正方形内部稍粗的网格。网格单元类型为CPS4R（四节点的四边形线性减缩积分单元），划分完成后整个模型有3501个结点，3268个单元。二维模型如图1.2所示：图1.2橡胶密封圈的有限元模型Fig.1.2Finiteelementmodelofrubbersealingring1.5边界条件及加载使用ABAQUS对橡胶密封圈进行接触分析的时候采用的是面-面接触，在工作的过程中主要有三个接触面：密封圈和衬套底部的接触面、密封圈和衬套侧面的接触面以及密封圈和活塞的接触面。其中活塞和衬套定义为目标面，橡胶密封圈定义为接触面。摩擦系数为0.2。根据密封结构模型的实际工况，首先对密封结构的衬套施加全约束，使其无法移动或转动；对活塞的水平方向进行约束，使其只有在受到压缩时可以上下移动；对橡胶圈进行位置约束，保证其在受压时不会脱离密封结构。橡胶密封圈在工作中受到位移载荷与油压载荷两种载荷。第一种加载情况是对橡胶密封圈进行预压缩，根据不同的压缩率条件对活塞施加一个向下的位移，以达到约束的目的，如图1.3所示。本文所进行分析的压缩率范围是5%-20%。第二种加载情况可以分为两个分析