筒式過濾器杯口密封有限元分析設計

宋文博+許聰+吳德慧

摘 要：建立了丁腈橡膠材料的Mooney-Rivlin本構模型，利用ANSYS有限元軟件建立二維軸對稱模型，并分析計算了槽深對密封能力和軸向壓緊反力的影響。結果表明：O形圈表面最大接觸壓力及軸向壓緊反力隨槽深的增加而遞減，在保證O形圈不易從槽中脫落及控制適當軸向壓緊反力的前提下，槽深值應盡量小。

關鍵詞：過濾器 密封 有限元

中圖分類號：TQ051.89 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0033-02

筒式過濾器是乏燃料后處理X尾端批式流程中的重要工藝設備之一。該設備采用可升降的過濾杯作為造真空的抽吸小室，即采用批式操作的方案過濾來自上游的懸浮料液，并將濾餅與母液分離，獲得初步干燥的濾餅，為下游提供物料。由于每過濾一批料液都需要升降一次過濾杯，杯口的密封圈處于被反復壓縮和放松的工況下，加之每次過濾密封圈都受到較高放射性強度的輻照和酸氣（或酸液）的腐蝕，因此，這就對過濾杯杯口處的密封結構及密封可靠性提出了較高的要求。

為了使杯口密封在反復壓縮和放松下不易損壞，且過濾杯在遠距離操作下容易套入法蘭，該文采用杯口倒角面作為密封面。另外，為了使O形圈不易脫落、易安裝及拆卸，最終將過濾杯杯口處的密封設計成如圖1所示的結構。該結構具有3組密封面，其O形圈變形情況較為復雜。該文利用ANSYS有限元分析軟件對杯口密封進行分析設計。主要目標是研究凹槽深度對密封性能的影響，最終確定最佳凹槽深度。

1 槽深尺寸分析設計

1.1 確定理論模型

對O形圈的有限元分析較一般金屬結構的靜力分析有很大的不同和困難。其同時具有材料非線性、變形非線性和接觸非線性等高度非線性特征。模擬結果的準確性，與對所研究問題的簡化程度、采用的橡膠本構關系模型以及該模型中材料常數測試的準確性有密切的關系。

首先，確定彈性體的非線性特性是困難的，目前應用于超彈性體相對成熟的理論是基于應變能密度的本構關系模型，如：Mooney-Rivlin材料模型、Ogden材料模型、Yeoh材料模型等。該文采用在橡膠中較常用的Mooney-Rivlin材料模型。

對于大多數橡膠而言，在應變為150%以內時，此模型與試驗數據具有很好的一致性[1]。

該文中的O形圈采用丁腈橡膠材料，其硬度在65IRHD（或邵爾A）時，材料常數C01和C10分別為1.87和0.47[2]，由于橡膠材料一般具有近似不可壓縮性，因此這里將可壓縮系數取0。

1.2 ANSYS建模

在ANSYS中建立如圖1所示的杯口密封軸對稱局部平面模型。該平面模型以“Y軸”為對稱軸，即將“Y軸”設定為O形圈、法蘭及過濾杯的回轉中心，并將所有圖線置于第一象限內，法蘭和過濾杯的底邊與“X軸”重合。將法蘭和過濾杯的材料屬性設置為剛性材料，O形圈設置為1.1節定義好的65IRHD丁腈橡膠超彈材料，并開啟非線性計算模式。

進而，對3個零件分別進行網格劃分。網格類型為四邊形，并對所有接觸表面的網格進行細化和優化。

1.3 設置參數及邊界條件

1.3.1 設置初始接觸狀態

（1）O形圈與凹槽的底面和側面之間的接觸類型設置成“非對稱”的“摩擦接觸”，摩擦系數取為0.1。利用一次拉格朗日方程進行迭代計算，每次迭代計算后均重新計算接觸剛度，并修正接觸的網格范圍及位置。

（2）O形圈與過濾杯杯口倒角面之間的接觸類型設置成“非對稱”的“摩擦接觸”，摩擦系數取為0.1。利用一次拉格朗日方程進行迭代計算，每次迭代計算后均重新計算接觸剛度，并修正接觸的網格范圍及位置。

1.3.2 分析計算設置

（1）迭代步控制：開啟“自動時間步長”，“初始子迭代步”取10，“最小迭代子步”取10，“最大迭代子步”取1 000。

（2）開啟“大變形”計算模式。

（3）其他設置讓軟件自行選定。

1.3.3 設置邊界條件

（1）法蘭：施加“固定支撐”約束。

（2）過濾杯：施加沿Y軸向上的位移約束，最終使過濾杯杯口頂住法蘭下表面。

（3）介質壓力：在O形圈的下1/3與介質接觸的表面施加0.2 MPa均布壓力，壓力方向與切線方向垂直。

1.4 結果分析

利用ANSYS軟件按上述設置，分別對O形圈槽深為1.0 mm、0.9 mm、0.8 mm、0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm的6個模型進行迭代計算。其中0.5 mm槽深的模型的計算結果如圖2所示。

從計算結果可以看出如下幾點。

（1）O形圈的截面發生了很大的變形，與3個密封面的接觸面積超過60%的外露表面積，幾乎成為直角三角形。

（2）O形圈大部分接觸面發生了滑移，部分接觸面發生粘滯。發生粘滯處的接觸應力更大，其密封能力也更好。

（3）將O形圈對過濾杯杯口倒角面的正壓力進行正交分解，即可獲得完全壓緊O形圈所需的最小軸向壓緊力Fymin。

將6種槽深尺寸的模型計算結果進行整理，并繪制成槽深與O形圈接觸應力和軸向壓緊力的關系曲線，如圖3所示。并對結果進行了“二次”擬合，并得到曲線方程，以便精確計算。

分析上述曲線可知，接觸應力和軸向壓緊力隨槽深的增加而降低。當槽深為0.5 mm時有最大的接觸應力，為1.5 MPa，其密封能力最佳，但同時壓緊O形圈所需的壓緊力也最大，為1 656 N。

由于槽深小于0.5 mm時我們認為O形圈容易從托架上脫落，因此最終確定托架的最佳凹槽深度為0.5 mm。

2 結論

筒式過濾器杯口處的密封屬于三角密封，具有3組密封面，其O形圈變形情況較為復雜。通過利用ANSYS有限元軟件建立二維軸對稱模型，對6種槽深尺寸的模型進行模擬分析，最終得到槽深與最大接觸應力和所需軸向壓緊力的曲線關系。

結果表明，O形圈表面最大接觸壓力及軸向壓緊反力隨槽深的增加而遞減，在保證O形圈不易從槽中脫落及控制適當軸向壓緊反力的前提下，槽深應盡量小，以提高密封能力。

參考文獻

[1] 王偉，鄧濤，趙樹高.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數的確定[J].特種橡膠制品，2004，25（4）：8-10.

[2] 田國紅，李剛，齊艷.基于ANSYS的車用橡膠件剛度特性研究[J].遼寧工學院學報，2006，6（3）：183-185.