O形橡胶密封圈的非线性有限元分析

《O形橡胶密封圈的非线性有限元分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、制造技术研究2016年4月第2期O形橡胶密封圈的非线性有限元分析王朝晖何康康（北京航天动力研究所，北京100076）摘要：建立了某O形橡胶密封圈轴对称模型，借助非线性有限元手段，分析与研究不同工作压力、不同压缩率下的接触应力，获取了接触宽度随初始压缩率的分布规律，通过数据处理得到了最大接触应力随压缩率和介质压力的变化关系式，为此种类型O形密封圈的结构设计提供相关参考。关键词：O形密封圈；接触应力；非线性有限元分析NonlinearFiniteElementAnalysisofRubberO-sealingRingWangZhaohuiHeKangkan

2、g(BeijingAerospacePropulsionInstitute,Beijing100076)Abstract：TheaxisymmetricmodelofrubberO-sealingringwasestablished.Byusingnonlinearfiniteelementmethod,thecontactstressdistributionunderdifferentinitialcompressionratiosandmediumpressurewasresearched.Therelationsbetweencontactwid

3、thsandinitialcompressionratioswereanalyzed.Throughdataprocessing,thedisciplinesofmaximumcontactpressurealongwithpressureandinitialcompressionratioswereobtained,whichcanprovidereferencesforthestructuraldesignofthistypeO-sealingring．Keywords：O-sealingring；contactstress；nonlinearfi

4、niteelementanalysis1引言相比于普通的线性分析，O形圈的分析要复杂很多，它属于典型的复合非线性问题，非线性主要表现在三个[2]O形橡胶密封圈（简称O形圈）在液体火箭发动方面：a.状态非线性，是由于接触状态的不确定造成机领域使用广泛，作为重要的密封件，它对发动机系了状态非线性；b.几何非线性，橡胶在力的作用下，一统的密封性能和功能影响极大。O形圈的设计计算涉般伴随着大位移、大应变，位移-应变关系呈现非线性；及到固体力学、摩擦学、高分子材料学以及机械制造c.材料非线性，橡胶材料不能简单地作为线弹性体来处工艺学等多方面知识，因此要对其进行理

5、论上的精确理，它不仅涉及粘弹性、几乎不可压缩（体积变化量非[1][3]研究就非常困难。近些年来逐渐发展起来的有限元常小）等问题，还涉及到松弛和蠕变问题。基于抓住方法，尤其是非线性有限元解法，在工程应用领域显主要变量忽略次要变量的考虑，假设橡胶材料的弹性模露出越来越重要的作用。借助于非线性有限元方法对量和泊松比为定值，O形圈不可压缩（体积不变），压缩[4]O形圈进行了求解，分析了不同初始压缩率下O形圈边界为刚体边界。最大接触应力变化情况，研究了不同内部介质工作压针对橡胶材料的本构关系，各国学者提出了许多力对最大接触应力的影响，最后给出了最大接触应力用于描

6、述橡胶材料应力应变关系的应变能函数形式。和初始压缩率、内部介质压力之间的拟合关系式。目前广泛采用的Mooney-Rivlin模型是把应变能密度[5，6]表示成变形张量不变量的级数形式，即2模型及边界条件作者简介：王朝晖（1989-），硕士，航空宇航推进理论与工程专业；研究方向：液体火箭发动机总体设计。收稿日期：2016-03-034制造技术研究航天制造技术NE=1.17e5MPa，而橡胶材料弹性模量为7.08MPa，钛ijWII(12,)=∑CIij(1−−33)(I2)合金的材料的弹性模量远远大于O形圈的弹性模量，ij,0=（1）变形量也将远远小于O

7、形圈的变形量，因此在分析中式中Cij为Rivlin系数，进一步简化Rivlin模型，可假定钛合金为刚体。令N=1，则有：O形圈结构、约束条件、内部介质载荷均为轴对WCI=10(1−+33)CI01(2−)（2）称，呈现轴对称分布，因此将O形圈密封简化为二维[8]轴对称问题。接触算法采用增强的拉格朗日乘子法，式（2）是Mooney-Rivilin方程，C10和C01就是摩擦模型选用库伦模型，采用二维plane182轴对称单Mooney常数C1和C2。I1，I2为第一、第二Green应变元（2自由度4节点plane182单元可以用于平面问题不变量。的计算，

8、包括平面应力、平面应变和轴对称问题，适有了应变能密度函数W，可以通过力学推导出用于塑性、超弹性