144_橡塑往复密封有限元分析

2006年用户年会论文
橡塑往复密封有限元分析
[李树虎贾华敏王炳雷郭建芬]
[中国兵器工业集团第五三研究所，250031]
[ 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
The Finite Element Analysis of Rubber-Plastic
Reciprocating Seal
[Li Shuhu, Chen Yiwei, Jia Huamin, Wang Binglei，Guo Jianfen]
[CNGC Institute 53, 250031]
[Abstract] The ANSYS finite element program and Moon-Rivlin material model wered adopted in this paper, the mechanics characteristic of the rubber-plastic reciprocating seal was
simulated under the condition of assembling and working, the stress, strain and
assembling pressure wered got, the calculational result has higher engineering
application value.
[ Keyword ] Reciprocating Seal, The Finite Element
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。

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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：
]
[][E W S ∂∂= 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：
23211)1(2/1)3()3(−+−−=
∑=+I I I a W l k N l k kl κ
其中： a kl ----九参数三阶Mooney-Rivlin关系常数，k为体积模量。

)
21()(20110ν−+=a a k 当N=1时，二常数应变能密度函数展开式：
232011102)1(2/1)3()3(−+−+−=I I a I a W κ
当N=2时，五常数应变能密度函数展开式：
)
1(2/1)3()
3)(3()3()3()3(32202211121202011105−+−+−−+−+−+−=I I a I I a I a I a I a W κ当N=3时，九常数应变能密度函数展开式：
2
33203321122212131302202211121202011109)1(2/1)3()3)(3()
3()3()3()3()
3)(3()3()3()3(−+−+−−+−−+−+−+−−+−+−+−=I I a I I a I I a I a I a I I a I a I a I a W κ
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其中是应变不变量，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。

i I 2.2超弹性材料性能测定
Mooney-Rivlin 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）。

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。

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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）
3.橡塑往复密封件有限元模拟计算
3.1计算模型
2006年用户年会论文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单元网格划分
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%。

2006年用户年会论文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7-10。

给出O型胶圈与金属槽交接处沿X、Y方向的应力变化曲线：
2006年用户年会论文给出X型往复密封件在装配条件下的位移变形云图。

5 结论
通过对O型往复密封件、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、状态非线性的复杂问题。