基于ABAQUS的變截面橡膠密封條熱應力與密封性分析

(重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室 重慶 400054)

發動機油氣分離器作為發動機重要的組成部件，其作用就是將曲軸箱內進入進氣系統的混合氣中的液態機油液滴分離出來，并重新導入油底殼內，實現油氣分離。橡膠密封膠條作為油氣分離器中起密封作用的關鍵部分，膠條的強度和密封性能直接決定了油氣分離器的性能。密封膠條在不同溫度下滿足強度要求和具有良好的密封性能是保證油氣分離器正常工作的必要條件。

變截面橡膠密封圈一般用于密封環境相對復雜的密封結構，國內研究者采用不同的方法對其進行了有限元分析，得到了其在不同條件下的應力分布和密封性能。劉占軍等[1-2]借助軟件ANSYS對X形變截面橡膠密封圈進行了有限元分析，建立X形變截面橡膠密封圈的有限元模形，比較了X形變截面和X形橡膠密封圈的最大綜合等效應力，并對X形變截面橡膠圈進行了優化設計。楊光等人[3]利用ANSYS軟件所提供的Workbench平臺建立了YX形橡膠密封結構模型，針對工程實際，考慮YX形密封圈與密封面的縫隙逐漸過渡為接觸，應用有限元技術分析了YX形密封圈在不同工作壓力下的應力和變形規律。韓世杰[4]建立變截面橡膠圈有限元模型，應用有限元軟件ANSYS求解橡膠圈的接觸壓力，并建立了密封流體域的有限元模型，分析了變截面橡膠密封圈變形對于密封性能的影響。

一般在工程上對具有規則、連續截面的橡膠密封件通常采用二維軸對稱模型或者平面應變模型來研究其密封性能[5-6]。在有限元分析過程中橡膠材料存在著幾何變形大、材料非線性和接觸非線性等特點，在計算過程中計算量很大并且很難收斂。采用二維平面模型可以較小的計算代價獲得截面規整的密封件的有限元分析結果，但對于截面變化的密封件，由于密封件結構復雜，無法用單一截面反映整個密封件的受力情況，采用二維平面模型對于密封件的密封性能不能做出完整的評價。

本文作者借助有限元分析軟件ABAQUS建立了用于發動機油氣分離器密封的乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條和配合殼體的三維有限元模型，利用ABAQUS/Explicit顯示算法完整地分析了橡膠密封膠條在不同溫度下的應力分布和密封性能。

1 有限元分析計算模型

1.1 橡膠本構模型

橡膠類非線性材料，其應力應變關系需要使用應變能密度函數來描述，應變能密度函數本構模型的選取需要根據材料及模型的變形情況綜合考慮。Mooney-Rivlin 本構模型能夠能很好地描述變形小于35% 的橡膠材料的力學性能[7]。兩系數的Mooney-Rivlin模型[8]函數如下：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W表示單位體積的應變能；C10、C01為材料系數,I1、I2為一階、二階應變不變量。

C01、C10由以下公式[9-10]得到：

lgE=0.019 8HA-0.543 2

(2)

E=6(C10+C01)

(3)

C01=0.25C10

(4)

式中:E為橡膠彈性模量;HA為橡膠硬度。

1.2 材料參數

研究的密封條材料為乙烯丙烯酸酯橡膠(AEM)，硬度為ShoreA 63，密度為1.23 g/cm3，線膨脹系數為2.5×10-4℃-1。根據橡膠材料的硬度，通過公式(2)計算得到橡膠彈性模量E=5.04 MPa，利用公式(3)、(4)計算得到C10=0.672 4 MPa,C01=0.168 4 MPa。

油氣分離器殼體、限壓套和密封端蓋材料性能參數如表1所示。

表1 殼體、限壓套和密封端蓋材料力學性能參數

1.3 有限元模型建立

用于分析的橡膠密封膠條截面如圖1所示，其中截面a、b、c分別為橡膠密封條的3種典型截面。

圖1 密封條截面Fig 1 Section of sealing strip

工程上對變截面橡膠密封條性能的研究方法大致可以分為實驗分析法和有限元分析法。 通過實驗測試密封條的密封性能十分困難，不僅要耗費大量時間，而且成本較高，因為在密封條生產出來以前其性能是無法預見的。有限元分析方法分為截面分析法和整體分析法，截面分析法需要建立變截面密封條的截面模型，從而對不同截面進行有限元分析，這種分析方法只能反映局部密封情況，對于整個密封結構來說，分析不全面且精確度不高；整體分析法能反映出復雜的密封結構，能夠完整地分析變截面密封條的密封性能。

由于密封膠條在結構上具有復雜性，存在著多處分叉、彎曲段，沒有統一、連續的截面。因此，建立了三維實體有限元模型。圖2所示為橡膠密封膠條與配合殼體有限元模型。

圖2 有限元分析模型Fig 2 Finite element analysis model

在剛性密封端蓋上施加位移約束，緩慢地將密封膠條壓入到配合槽體內，密封條依靠自身的彈性形變，在與之配合的殼體連續接觸面上產生接觸應力,實現接觸密封。壓縮距離為密封端蓋下表面到限位塊之間的距離。

在橡膠密封膠條與槽體內表面、密封條上表面與密封端蓋以及剛性下壓板與殼體建立接觸對；約束下壓板6個方向的自由度；在密封端蓋上施加豎直向下的位移約束，即密封端蓋下表面到限位塊的距離；在預定義場中設置橡膠密封條和殼體的初始溫度工況，并在后續分析步中將溫度增加到預期設定值。

2 密封膠條強度有限元分析

2.1 密封條強度分析判據

在橡膠材料拉伸和壓縮過程中，通常認為其蠕變性質相同[10]。若密封膠條受到的Von Mises應力大于其拉伸強度，密封膠條將會被破壞。因此，密封膠條的熱應力不應大于乙烯丙烯酸酯橡膠的拉伸強度。

2.2 熱應力分析

發動機在工作過程中，會有部分高溫氣體竄入到曲軸箱通風管道中，油氣分離器橡膠密封膠條在實際工作中會處在一個較高溫度的環境中，對乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條的常溫分析已經無法滿足其性能要求，因此，需要對密封膠條進行不同溫度的模擬，以此來探究乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條在不同溫度下的力學性能。首先將工作溫度設定在25 ℃得到乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條的Von Mises應力云圖如圖3所示。

圖3 25 ℃密封條的Von Mises應力云圖Fig 3 Von Mises stress cloud chart of sealing strip at 25 ℃

可以看出，溫度在25 ℃時的Von Mises應力峰值為4.157 MPa，出現在密封膠條上表面處，這是由于密封條特殊的尖角結構和密封端蓋擠壓共同作用的結果。在25 ℃時，密封條的壓縮率為19.99%。在密封膠條被壓入槽內到穩定狀態后，密封膠條的Von Mises應力峰值遠遠小于乙烯丙烯酸酯橡膠材料的拉伸強度13.8 MPa。因此，橡膠密封膠條滿足強度要求。

隨著工作溫度的升高，橡膠的硬度、強度等力學性能發生變化，容易出現高溫老化、裂解等不可逆的變化。當溫度升高到橡膠密封條極限工作溫度150 ℃時，橡膠密封膠條的Von Mises應力云圖如圖4所示。

圖4 150 ℃密封條的Von Mises應力云圖Fig 4 Von Mises stress cloud chart of sealing strip at 150 ℃

可以看出，150 ℃時密封膠條的Von Mises應力峰值為5.083 MPa，出現在密封膠條上表面接觸區域。在150 ℃時，密封膠條的壓縮率為17.06%，隨著溫度的升高，密封膠條的壓縮率有所減小。密封膠條受到的Von Mises應力峰值遠小于乙烯丙烯酸酯橡膠材料的拉伸強度13.8 MPa。因此，在極限工作溫度下，乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條仍能保持較高的強度。

3 密封膠條密封性能有限元分析

3.1 密封性失效判據

根據相關密封理論，密封膠條的失效判據為：乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條與配合殼體連續接觸面上的接觸應力δ大于其工作壓力p0且有理想的接觸寬度時，橡膠密封條具有良好的密封性能[11]。

所謂壓縮率就是密封膠條的壓縮距離與密封膠條在自然狀態下軸向距離之比[12]。乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條的壓縮率在小于24%時，密封膠條具有良好的強度和密封性能。

3.2 密封性分析

油氣分離器橡膠密封條的密封是屬于接觸密封，油氣分離器內部工作壓力為0.1 MPa。分別計算乙烯丙烯酸酯橡膠密封條在25 ℃和150 ℃時的接觸應力，以此來評價密封膠條密封性能。圖5、圖6分別為工作溫度在25 ℃時的乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條上下表面的接觸應力云圖。

圖5 25 ℃時的密封膠條上表面接觸應力云圖Fig 5 Contact stress on the upper surface of sealant strip at 25 ℃

圖6 25 ℃時的密封膠條下表面接觸應力云圖Fig 6 Contact stress on the lower surface of sealant strip at 25 ℃

可以看出，當溫度控制在25 ℃時，密封膠條接觸應力峰值出現在密封膠條與槽體內表面接觸區域，這主要是因為密封膠條特殊的幾何形狀決定的。從圖5可以看出，乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條上表面接觸區域接觸應力在0.1～6.665 MPa范圍內，接觸寬度大于1 mm，接觸中心區域接觸應力均大于2.4 MPa。從圖6可以看出，密封膠條下表面接觸區域接觸應力在0.1～4.258 MPa范圍內，接觸寬度大于1 mm，接觸中心區域接觸應力均大于2.3 MPa。乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條上下表面的接觸應力均大于油氣分離器內部工作壓力0.1 MPa，且接觸區域連續均勻，有較寬的接觸區域。根據密封理論，乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條在常溫下具有良好的密封性能。

當工作溫度升高到油氣分離器工作的極限溫度150 ℃時，此時密封膠條處在高溫工作環境中。圖7、圖8分別為150 ℃時的乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條上下表面的接觸應力云圖。

圖7 150 ℃時的密封膠條上表面接觸應力云圖Fig 7 Contact stress on the upper surface of sealant strip at 150 ℃

圖8 150 ℃時的密封膠條下表面接觸應力云圖Fig 8 Contact stress on the lower surface of sealant strip at 150 ℃

可以看出，當工作溫度在150 ℃時，密封膠條上表面接觸區域接觸應力在0.1～9.016 MPa范圍內，接觸寬度大于1 mm，接觸中心區域接觸應力均大于5.2 MPa；密封膠條下表面接觸區域接觸應力在0.1～5.442 MPa范圍內，接觸寬度大于1 mm，接觸中心區域接觸應力均大于4.6 MPa。密封膠條上下表面的接觸應力均大于油氣分離器內部工作壓力0.1 MPa；接觸區域連續均勻，且有良好的接觸寬度。根據密封理論，乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條在極限工作溫度150 ℃下具有良好的密封性能。

4 結果及分析

油氣分離器正常工作溫度是處在常溫和極限工作溫度之間，為了充分反映不同溫度對乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條強度和密封性能的影響，分別計算不同工作溫度時乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條的Von Mises應力、壓縮率、接觸應力和接觸寬度。表2給出了在不同溫度下，將密封膠條壓入到配合槽體內，達到平衡后的Von Mises應力、壓縮率、接觸應力和接觸寬度。其中，密封膠條與密封端蓋接觸面上的接觸應力為接觸應力Ⅰ，密封膠條與槽體接觸面上的接觸應力為接觸應力Ⅱ,在不同溫度下，密封條上下表面接觸寬度均大于1 mm。

表2 不同溫度下密封膠條Von Mises

由表2可以看出：隨著溫度的增加，乙烯丙烯酸酯橡膠密封條的Von Mises應力逐漸增加，但其值遠遠小于橡膠材料的拉伸強度，表明橡膠密封條在工作過程中滿足強度要求；由于密封膠條特殊的幾何結構，隨著溫度的增加，乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條的壓縮率逐漸減小，但是變化幅度不超過3%，密封條的壓縮率保持在一個合理的范圍內；從常溫到極限工作溫度，乙烯丙烯酸酯橡膠密封膠條上下接觸面的接觸應力逐漸增大，其值都大于油氣分離器的工作壓力0.1 MPa，且接觸寬度均大于1 mm。密封膠條具有良好的密封性能。

5 結論

(1)溫度的變化對乙烯丙烯酸酯橡膠密封條的強度和密封性能都有一定的影響。隨著溫度的升高，密封膠條受到的Von Mises應力、接觸應力均逐漸增大，接觸寬度基本不變，密封條壓縮率逐漸減小。橡膠密封條在工作過程中滿足強度要求，同時具有良好的密封性能。

(2)變截面密封膠條的有限元分析方法可以為工程上分析橡膠制件性能提供一種參考方案，具有一定的工程應用價值。