橡胶密封圈在回弹过程中的密封性能分析

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1、2006年9月强度与环境Sep.2006第33卷第3期STRUCTURE&ENVIRONMENTENGINEERINGVol.33,No.3橡胶密封圈在回弹过程中的密封性能分析王江（北京宇航系统工程研究所，北京100076）摘要：本文通过非线性有限元软件MSC.Marc，计算了O形密封圈在密封槽产生短时间隙时的回弹过程。计算分别采用动力学计算和静力计算，并将两种计算结果进行了比较。本文还通过用户子程序考虑了外界压力对回弹过程的影响。关键词：密封圈；MSC.Marc；回弹；接触；用户子程序中图分类号：O313文献标识码：A文章编号：1006-3919(2006)03-0037-06Herme

2、ticityanalysisonthebounce-backprocessofOringWANGJiang(SystemEngineeringDivisionofCALT，Beijing100076，China)Abstract：ThispaperpresentsaFEMmodel,onthecaseofMSC.Marc,toanalysisthebounce-backprocessofOring.Andtheresultsoftwomethods,transientresponseandstaticanalysis,areobtainedandcompared.Atlast,usersu

3、broutinesareusedtosimulatetheeffectoftheoutsidepressure.Keywords：Oring；MSC.Marc；contact；bounce-back；usersubroutine1引言上端框图1是上下两个圆柱形壳段连接而成的结密封圈构，两个壳段的对接端框通过螺栓连接在一起。上壳段该圆柱形结构在工作时内部为空气，外部受到水压作用，最大为0.55MPa，因此连接面之间连接螺栓下壳段下端框开有密封槽并安装密封圈，以保持对接面的密封。其中，对接面上下端框材料均为结构刚，密封槽尺寸见图2；图3给出密封圈自由状态图1密封结构示意图下的尺寸，密封圈由橡胶

4、制成，牌号为GX2-50。该壳段在工作时，外部表面受到水压的作用，但压力分布不均匀，且随时间变化很剧烈。通过有限元分析发现，由于连接螺栓比较少，相邻两个螺栓的间距比较大，连接刚度偏弱，外部压力的极端情况可能会导致连接面产生短时间的间隙。根据使用工况的不同，最大张开间隙有两种情况：2.14mm和1.1mm，间隙张开时间均为15ms，且间隙大小的时间历程成半正弦波形。间隙张开时存在密封圈泄漏的可能性。因此需要对密封圈回弹过程进行有限元分析，以确定连接面在极端情况下是否会发生泄露。收稿日期：2006-01-26；修回日期：2006-04-24作者简介：王江(1975-)，男，工程师，研究方向：机

5、构强度分析；（100076）北京宇航系统工程研究所.38强度与环境2006年本文通过MSC.Marc成功进行了密封圈回弹过程的仿真分析，包括瞬态响应过程仿真、准静态模拟，并在最后采用用户子程序考虑了外界压力的影响。根据仿真分析的结果可以初步确定该密封结构是否会发生泄漏。图2密封槽尺寸图3密封圈自然状态下的尺寸2关键的理论背景与建模基本思路2.1橡胶材料橡胶材料是一种较为特殊的材料，其特性与工程材料中常用的金属材料有很大的不同。橡胶可以承受很大的变形而不致破坏，可承受应变的范围通常可以达到100％以上，而且卸载之后可以完全恢复最初的状态。因此橡胶是一种保守的和路径无关的材料，也就是说对于一种

6、变形状态，其变形能和应力仅仅取决于当前应变，而与加载的过程无关，这一点与大变形的金属材料有很大区别。另外，大部分橡胶是属于不可压材料，也就是说对于任何大小的变形状态来说橡胶结构的总体积保持不变。因此通常使用的金属材料本构模型不能适用于橡胶材料，我们通常采用应力势函数的方式来定义。∂W[]S=∂[]E(1)其中W为应力势函数，S为大变形的应力度量，通常为PK2应力，E为大变形的应变度量，通常为格林－拉格朗日应变。在研究中已经发展出很多的橡胶材料模型，适合于不同的橡胶类材料，其间的主要区别就在于势函数W具体形式的选取。应用最广泛的橡胶模型是Mooney-Rivlin模型，其势函数定义为如下形式

7、。()()()2()()W=cI−3+cI−3+cI−3+cI−3I−31010122011112()2()3()2()+cI−3+cI−3+cI−3I−30223012112()()2()312+cI−3I−3+cI−3+()J−11212032d(2)其中I为大变形应变偏量的不变量，与应变分量之间有固定的表达式，描述材料与体积变n形无关的部分；J为体积比，用来描述材料的体积变形；材料常数cmn和d是需要根据试验曲线来