基于SolidWorksSimulation的O型圈錐面密封非線性分析

潘廣堂

【摘 要】針對工程中錐面密封存在的泄漏問題，通過兩錐面之間O型密封圈進行非線性有限元分析，研究其應力分布規律，獲取最大接觸應力與支座反力，確定起關鍵作用的密封面，為錐面密封的合理設計、加工制造提供了理論依據和改進建議。

【關鍵詞】O型圈；非線性；密封；有限元

0 前言

工程應用中經常會使用錐面密封，例如錐面密封接頭、卡箍連接裝置等等。由于錐面密封有結構簡單、體積小、連接可靠等優點，在石油、化工等領域中得到廣泛應用[1-3]。但由于制作密封圈橡膠材料的不滿足胡克定律，分析錐面密封的接觸應力，計算其接觸反力確是工程設計的一個難題。現在我們可以借助計算機分析軟件解決這一問題。

1 非線性靜態分析概述

線性分析中對材料模型的重要假設：所有材料都符合虎克定律，即應力與應變成正比。有些材料只有在應變較小時才表現出這種行為。當應變增加時，應力與應變的關系變成非線性。有些材料即使當應變較小時也表現非線性行為，比如橡膠。材料模型是材料行為的數學模擬。 如果材料的應力與應變關系是線性的，該材料被稱為是線性的。線性材料可以是同向性、正交各向異性或各向異性。當模型中的材料在指定載荷的作用下表現出非線性應力-應變行為時（圖1），就必須使用非線性分析。非線性分析提供許多類型的材料模型。

目前處理相關工程問題主要是以連續介質力學為基礎，丁晴橡膠被認為是超彈性近似不可壓縮體，其力學特型表現為復雜的材料非線性和幾何非線性?，F階段應用比較廣泛的Mooney-Rivlin 模型，它可以用來模擬幾乎所有的橡膠制品的力學行為。其函數表達式可表示為[4]

2 O型圈有限元分析

如圖 2所示的結構模型中，軸芯與支座之間的密封工作由兩接觸錐面之間的O型圈來完成。

由于模型的軸對稱性，僅對其一部分（1°角）進行分析（圖 3）。O型圈被軸芯的豎直向下移動壓入支座的凹槽內。軸芯和支座由35CrMo制成。

在SolidWorks Simulation中創建一個靜態非線性分析，自動步進，時間增量為0.01，使用大型位移公式并選擇Direct Sparse解算器，奇異性消除因子設置為0。

O型圈的材料模型設定為超彈性 Mooney Rivlin[6]，各項材料參數依據表 1。

設置模型的前、后、左、右均不可移動，支座底面固定，軸芯頂面向下移動3.4mm，如圖 3。定義O型圈與軸芯、支座接觸的各面接觸類型為無穿透；并對各接觸面使用網格精細劃分，選擇基于曲率的網格，最大單元大小設為1。

分析后獲得應力云圖如圖 4所示。

分析結果的接觸應力與支座反作用力如圖 5、圖 6所示，其最大接觸應力為Cpmax=17MPa，最大反力為FN1=103N，所以支座整體反力

FN=FN1×360=37kN

O 型橡膠密封圈在工作狀態下接觸應力Cpmax是失效準則和失效判斷的第一條件，如果Cpmax的值小于介質壓力p，則會導致介質泄漏，即密封失效，所以最大接觸應力應滿足時效準則即保證密封條件：Cpmax≥p。由此可知該密封方案可密封17MPa介質壓力。

由圖 5可見，接觸應力主要集中在軸芯錐面、支座凹槽底面與柱面，所以在零部件加工制造、裝配時應特別注意這三個接觸面的精度。

3 結論

本文介紹了非線性分析方法以及在工程中的應用的相關材料模型，并使用SolidWorks Simulation對支座與軸芯之間密封圈做非線性分析，獲得最大接觸應力與支座反作用力，確定了錐面密封中起主要作用的接觸面，為錐面密封的合理設計、加工制造提供了理論依據和改進建議。

【參考文獻】

[1]邵雅梅，周思柱，李寧.采油井口非標準卡箍設計及有限元分析[J].長江大學學報（自然科學版）理工卷，2008（01）：279-281.

[2]F. G. Lyalina V K S A. New design for a clamp connection[J].Chemical and Petroleum Engineering，1995，Vol.30（9）.

[3]史戰新，甘霖.卡箍式快開對接法蘭結構分析[J].艦船科學技術，2012，34（11）：75-81.

[4]楊春明，謝禹鈞，韓春雨.基于Ansys的橡膠O形密封圈密封性能的有限元分析[J].石油和化工設備，2010，13（4）：21-24.

[5]任全彬，蔡體敏，王榮橋，等.橡膠“O”形密封圈結構參數和失效準則研究[J].固體火箭技術，2006（01）：9-14.

[6]李躍超.基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡膠密封圈有限元模擬[J].智能制造，2016（2）：71-74.

[責任編輯：王偉平]