基于ANSYS的O形密封圈磨损仿真方法研究

基于ANSYS的O形密封圈磨损仿真方法研究
常凯
【摘要】Many products with wear-failure of O-ring appear in production.However,there is no related method of seal wear simulation to analyze these product issues.For solving this problem,firstly a method used for wear simulation of O-ring is proposed.The method is based on Archard friction and wear model and is implemented by structural analysis and thermal analysis of ANSYS software.The influence of contact pressure and frictional heat on the friction and wear are considered in the
method.Meanwhile,the grid reconstruction is used to solve the problem that is difficult to simulate the material wear in the simulation.The whole simulation process is realized by programming.Then according to engineering practice,a basis for judging the wear failure of O-ring is proposed.At last a concrete example of applying this method is given.%针对多型采用O形密封圈的产品磨损失效且无相关磨损仿真手段的现状,基于ARCHARD的摩擦磨损模型,利用ANSYS软件结构分析与热分析功能,提出了一种用于进行O形密封圈磨损仿真计算的方法.仿真过程中综合考虑了接触压力和摩擦热对摩擦磨损的影响,采用网格重构的方法解决了仿真过程中难于对材料磨损进行模拟的问题,并将仿真过程以编程的方式实现.结合工程实际,提出了判断O形密封圈磨损失效的依据.给出了应用此方法进行计算的具体算例.
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2018(000)002
【总页数】6页(P98-103)
【关键词】O形圈磨损;接触压力;摩擦热;网格重构技术;失效判据
【作者】常凯
【作者单位】航空工业庆安集团有限公司航空设备研究所,陕西西安710077
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
引言
在液压系统中，由于密封介质被挤压的缘故，密封装置可能会直接与运动的零件接触，这使得由于接触产生的磨损成为影响密封寿命的一个重要因素。

在工作过程中，由于磨损引起的密封零件材料的损失会使密封压力降低从而引起泄漏。

严重的泄漏会导致整个液压系统的失效甚至造成严重的安全事故。

因此，对密封磨损过程以及磨损对密封压力的影响进行研究是十分必要的。

目前对于材料磨损的研究大都采用实验的方法来进行[1]，其中销盘实验是研究材
料磨损的一种常用方法。

一个设计合理的实验可以较好地模拟实际的工况从而预测密封材料的磨损。

然而这种实验需要耗费大量的物力和财力，即使针对同一种材料，初始条件的不同，实验结果也会有很大不同，使得实验的通用性很差，因此实验
的方法不太适合应用于密封的设计阶段。

基于这些原因，许多学者开始利用数值仿真的方法来进行磨损方面的研究，其中有限单元法应用最为广泛。

Podra[2]利用
有限元仿真的方法研究了金属和陶瓷之间的磨损现象。

Goda[3]通过有限元模型研究了高分子聚合材料的摩擦和磨损行为。

但这些研究的对象大都集中在硬材料上，对于磨损量更大的软材料，比如橡胶等材料,大都是通过实验的方法来研究其磨损
现象和机理[4-5]，对其仿真方法研究较少。

然而这些材料广泛应用于各类工程实
际中，其磨损也是引起失效的重要因素，采用合理的仿真方法对其摩擦磨损行为进行预测，对于完善产品设计，提升产品性能具有重要意义。

本研究就是针对采用橡胶材料的O形密封圈进行磨损仿真研究的方法进行探索。

1 研究对象与磨损模型
1.1 研究对象
O形密封圈广泛应用于液压产品中需要密封的场合，防止泄漏，保证产品的正常
工作。

O形密封圈常用在轴向静密封和轴向往复密封场合，此类密封结构中O形
密封圈安装于轴或轴套上的沟槽中，由轴和轴套的配合对密封圈施加一定的压缩量，进而产生压力，实现对介质的密封(如图1、图2所示)。

图1 O形密封圈
图2 O形密封圈安装示意
1.2 磨损模型的选用
对于磨损的研究，主要有IBM计算法、两个配合“联接”体的磨损计算法、简单
粘着磨损计算法等，通过了解各种计算方法的适用范围，选择简单粘着磨损计算法[6]，即Archard模型，进行橡胶材料的磨损分析。

根据Archard模型描述：一对运动副在运动过程中材料在一段时间内的磨损体积：
(1)
式中， dV为指定时间段内磨损体积； K为无量纲的磨损率； H为运动副中较软
材料的硬度； F为运动副间的法向力； dL为此段时间内运动副两表面之间的相对运动距离。

定义Kh=K/H为材料的磨损率，则式(1)可写为：
dV=Kh×F×dL
(2)
将上式两端同除以磨损面积S可得：
dh=Kh×p×dL
(3)
式中， p为运动副间正压力； dh为磨损高度。

一般情况下，压力p是一个随时间变化的量。

则在运动副匀速运动的情况下，式(3)可写为：
dh=Kh×p(t)×v×dt
(4)
式中， p(t)为随时间变化的压力； v为运动副间相对运动速度； dt为运动时间。

式(4)即作为后续仿真分析的数学模型。

1.3 材料磨损率的实验获取[7]
上节模型中Kh被称为材料磨损率，可以表述为材料在单位时间内单位载荷下材料的磨损量，在仿真分析过程中，材料磨损率是一个重要参数，为使磨损仿真具有较高的准确性和实用性，须得到较准确的材料磨损率。

通常这一参数由实验来获取。

实验设备原理简图如图3所示。

图3 橡胶磨损实验装置原理简图
如图3所示，液压缸提供压力F，曲柄滑块机构提供下试件的往复运动v，再辅之以润滑装置，试件夹持装置等，共同构成磨损实验的实验装置，通过电子天平测量试件实验前后质量的变化，计算得到磨损质量dm，从而得到材料的磨损率。

磨损率：
(5)
式中，ρ为指橡胶材料的密度。

2 磨损仿真的有限元实现
2.1 摩擦热的考虑
在产品运动过程中，特别是在高速运动场合下，密封区域必然由于摩擦磨损产生热量[8]，会引起密封圈的变形。

因此在仿真过程中，需将这部分热量的影响考虑进去。

流体在节点处产生的切应力可表示为:
ιi=fpi
(6)
式中， f为摩擦系数； pi为节点i的法向压力。

则密封区域节点i处的热流密度可表示为：
qi=ψιiv=ψfpiv
(7)
式中，ψ为机械功转换为摩擦热的比率，参考相关文献[8]，可认为完全转化，即取值为1。

如下图所示，在非密封区域，认为其温度保持恒定，温度为T=Tfluid；在密封区域，热载荷为热流密度，其值为qseal(p)，具体区域位置如图4所示。

图4 热载荷添加示意图
虽然橡胶的热传导系数与钢材料相比很小，但由于其热膨胀系数大，所以其热变形不能忽略。

其热流密度按下面公式计算：
(8)
式中， qseal(p)为指密封圈的热流密度； q(p)为指密封副处总热流密度；krubber、ksteel分别为密封圈和轴的刚度。

温度的变化会引起密封圈的线性膨胀，产生变形。

对于热变形引起的应变可当作初始应变施加在有限元模型上。

对于二维模型，初始应变可按下式计算：
ε0=α(T-T0)
(9)
式中，ε0为应变；α为材料线膨胀系数；T、T0分别为变化后温度和初始温度。

2.2 接触压力p的求解
基于1.3中模型可以看出，求解随时间变化的接触压力p是进行磨损仿真的难点。

接触压力的不断变化是由于磨损过程中密封材料的不断损失而引起的，现有的分析软件均不能自动模拟材料损失，所以如何模拟材料在仿真过程中不断损失的现象是进行磨损仿真的关键。

Nandor Bekesi[9]提出了全局网格重构的方法，但这种方
法对磨损过程中密封件出现尖角时的网格重划分存在困难。

有学者提出了“杀死单元法”，指出当单元的接触压力超过预设的压力极限时，这个单元就被“杀掉”。

这种方法的局限在于材料损失的模拟是以单元为最小单位的，所以材料的磨损深度同受限于单元的尺寸，对于很微小的磨损量无法仿真，而且在“杀死”单元的过程中极易造成密封件仿真模型出现尖边、尖角的情况，影响计算结果。

LI Xin[8]提出了一种新的网格重构方法，不改变单元的个数，通过调整参与磨损单元以及附近单元的尺寸来模拟材料的磨损，但是这种方法中单元尺寸调整方法的选择十分关键，否则极易造成网格的畸形，使得仿真计算无法继续。

本研究利用有限元软件ANSYS的建模及网格划分功能，磨损后通过模型重构再划分网格的方法解决了网格重构中的一系列问题。

具体网格重构方法可分为以下几个步骤：
(1) 建立初始模型(O形密封圈完好无损)，完成初次有限元分析[10-13]，其中包含热分析,得到运动副之间的接触压力p,根据式(4)得到各节点的磨损量dh；
(2) 由磨损量dh得到新的磨损节点坐标: xnew=x-dh,ynew=y；
(3) 提取新的密封圈外圈节点坐标,其中参与磨损的节点坐标由(x,y)变为
(xnew,ynew)，其余坐标保持不变；
(4) 基于ANSYS平台，以新的节点坐标作为关键点重新建立密封圈的实体模型；
(5) 以自由网格的形式重新划分网格，形成密封圈有限元模型，再进行有限元分析，
得到接触压力。

对式(1)～式(5)循环进行，完成整个磨损过程的仿真。

上述过程主
要通过O形密封圈在磨损过程中形状的变化来模拟密封圈材料的损失，O形密封
圈形状的变化可以通过图5所示。

图5 网格重构过程
2.3 仿真终止条件
对于仿真计算终止条件，可以通过给定计算总时间或者磨损总量来设置。

但给定的时间或磨损量是否已使密封失效则很难界定。

基于此，计算的终止选择通过判定
O形圈的压缩率是否满足最小压缩率的要求来实现，这是由于相关国家标准和行
业标准中给定的最小压缩率均是大量实践经验的总结，是密封圈能可靠密封的最低要求。

对于O形密封圈，其压缩量可按图6所示，如下方式计算。

图6 O形密封圈安装时轴孔配合尺寸
拉伸量：
(10)
与α有关的系数：
(11)
压缩量：
(12)
查找相关标准，得到动密封时所要求的密封圈最小压缩量w名义，在计算过程中，每一次循环中，比较磨损后密封圈压缩率w名义与w名义的大小，当w≤w名义时，则认为密封圈已失效，计算终止。

2.4 磨损仿真流程[14]
基于有限元分析软件ANSYS进行磨损仿真计算，通过APDL语言编程将上述过程集成，其具体步骤总结如图7所示。

图7 磨损仿真求解流程图
由于磨损发生的连续性，理论上接触压力p是一个随时间不断变化的量，但其在一个较小的时间段内变化较小，本研究中认为在一个较小的时间间隔dt内，接触压力p为一个定值，即p(t)=pd，此处pd为压力定值，dt为每次计算选取的时间间隔。

3 算例
根据上节中磨损仿真思路，对以下例子进行磨损仿真计算。

表1 O形圈相关参数参数数值密封圈内径/mm73．5密封圈直径/mm4．6保护圈内外径/mm75，83保护圈厚度/mm2Mooney⁃Rivlin参数1．87，0．47工作油压/MPa21材料磨损率/mm3/(N·m)-15．5×10-6橡胶热膨胀系数
/℃6．9×10-4钢的热传导率/W·mK-144橡胶的热传导率/W·mK-10．16摩擦副间摩擦系数0．3
将参数代入磨损求解程序，所建模型及部分求解结果展示如图8、图9所示。

图8 磨损仿真初始求解模型
由计算结果可以得到，随着运动距离的增加，密封副间的接触压力逐渐减小，这是因为随着运动的进行，由于磨损，密封圈出现材料损失，逐渐变小，从而降低了密封副的压缩率，所以接触压力会减小。

图9 仿真过程中压力分布图
此时密封圈形状见图10。

图10 运动2000 m后O形密封圈形状
经过计算，此时O形密封圈的压缩率为6.95%，已低于相关标准中对于动密封最小压缩率的要求(动密封压缩率不小于7%)，计算终止，认为密封失效概率较大，
建议更换新的密封圈。

4 结论
(1) 基于ANSYS平台，建立了O形密封圈磨损求解模型，编程解决了仿真过程中磨损掉的材料难以模拟的问题，考虑了摩擦磨损过程中摩擦热的影响；
(2) 结合工程实际，提出了以满足标准中规定的最小压缩率条件作为判定密封失效的依据；
(3) 仿真结果表明，较大的压缩率虽然可以获得更大的接触压力，提高密封效果，但同时会使得磨损加剧，降低密封件使用寿命，因此压缩率的选择需综合考虑密封性和磨损量两个因素。

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