基于APDL語言的O形密封圈應力分析

肖 超，邵 騰，楊護紅

（山西航天清華裝備有限責任公司 技術中心，山西 長治 046000）

0 引言

O 形密封圈由于其體積小、結構緊湊簡單、生產成本低廉、密封性能良好、摩擦阻力小等特點被廣泛使用在端面及其零件內外徑結構切合面，如活塞缸[1]。諸多學者對密封結構、密封槽寬度、壓縮量等不同工況條件下的密封圈密封性能進行了研究[2-5]。

分析發現，目前的研究多數側重于對O 形密封圈密封性的有限元分析以及不同溝槽結構參數、不同油液壓力作用對密封圈變形和受力情況的影響[5]。而在方案設計初期，如何快速獲得不同結構參數下O 形密封圈的密封特性并進行方案擇優則成為難點。

為此，本文基于ADPL 語言，建立O 形密封圈有限元模型，并對其在預壓縮及油液壓力綜合作用的情況下進行密封性仿真分析，得到O 形密封圈變形情況、力學性能和密封性能。通過與文獻1 的仿真結果進行對比分析，驗證了該方法的可行性，對類似的密封仿真研究具有一定的理論指導意義。

1 基于APDL 語言的參數化建模流程

參數化設計語言APDL（Parametric Design Language）使設計人員對O 形密封圈選型、密封槽結構設計、預壓縮率及油液壓力參數的選取具有絕對控制權，通過修改相關參數，可以快速得到不同尺寸系列的O 形密封圈密封性能，具體分析步驟如圖1 所示。

圖1 基于APDL 的參數化建模流程

2 O 形密封圈參數化建模

2.1 幾何結構

O 形密封圈直徑為7mm，密封槽尺寸為9.7 mm×5.72 mm，詳細尺寸參數見圖2。

圖2 O 形密封圈結構示意圖

建立幾何模型時，對O 形密封圈、活塞和活塞桿進行如下假設：活塞和活塞桿視為剛體，只考慮O 形密封圈的變形。

用APDL 表達為：

2.2 材料參數

O 形密封圈選擇丁腈橡膠，其彈性模量為14.04MPa，泊松比為0.499，此外，選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠的力學性能[1]，兩個參數值C10 和C01分別取1.87MPa、0.47MPa。

用APDL 表達為：

2.3 劃分網格

采用TARGE169 單元和CONTA171 單元模擬O形密封圈與活塞、活塞桿的接觸對，采用PLANE182單元劃分O 形密封圈的網格，設置網格尺寸為0.3mm 并細化接觸對之間的網格，其模型見圖3。

圖3 有限元模型示意圖

用APDL 表達為：

2.4 載荷及邊界條件

整個仿真分兩步進行，第1 步為預壓縮，第2 步為施加油液壓力。

第1 步：采用相對位移法對O 形密封圈施加預壓縮率為10%的預緊力，即約束活塞桿Y 向位移，X向位移0.7mm（模擬O 形圈初始壓縮量），約束活塞X 向與Y 向位移，見圖4。

圖4 O 形密封圈施加第1 步約束的示意圖

第2 步：對O 形密封圈一側施加油液壓力3MPa，用以模擬密封作用過程，見圖5。

圖5 O 形密封圈施加第2 步約束的示意圖

3 結果分析

3.1 計算仿真結果

當初始壓縮量為10%時（無油液壓力作用），O形密封圈最大等效應力為2.099MPa（見圖6）。

圖6 預壓縮情況下O 形密封圈等效應力云圖

圖7 為密封圈的接觸壓力云圖，O 形圈與活塞桿密封面的最大接觸壓力為3.12MPa。

圖7 預壓縮情況下O 形密封圈接觸壓力云圖

當初始壓縮量為10%且O 形密封圈一側作用有3MPa 油液壓力時，密封圈最大等效應力為3.50MPa，見圖8。

圖8 預壓縮+油液壓力時O 形密封圈等效應力云圖

圖9 為密封圈的接觸壓力云圖，O 形圈與活塞桿密封面的最大接觸壓力為6.30MPa。

圖9 預壓縮+油液壓力時O 形密封圈接觸壓力云圖

3.2 仿真結果驗證

將O 形密封圈等效應力、接觸壓力結果與文獻1 中的結果（見圖10）對比分析可知，基于APDL 語言得到的虛擬樣機仿真結果誤差在工程允許范圍內，證明了該方法求解結果的正確性。

圖10 文獻1 中O 形密封圈等效應力云圖

3.3 不同預壓縮率對密封特性的影響

通過修改預壓縮率參數，可以快速獲得不同預壓縮率情況下的O 形密封圈Von Mises 應力仿真結果，見圖11～圖13。從圖中可以看出：隨著預壓縮率的增加，O 形密封圈Von Mises 應力也逐漸增加。

圖11 壓縮率為10% 時O 形密封圈等效應力云圖

圖12 壓縮率為15% 時O 形密封圈等效應力云圖

圖13 壓縮率為20% 時O 形密封圈等效應力云圖

3.4 系列O 形密封圈求解

修改第2 節中的O 形密封圈的結構參數及材料參數，可以快速獲得不同結構尺寸、不同材料參數情況下的O 形密封圈仿真結果，這里不再一一嘗試。

4 結語

本文基于APDL語言建立了O 形密封圈的參數化模型并對其在預壓縮及油液壓力綜合作用的情況下進行密封性仿真分析，通過與理論結果的對比分析，證明了該方法的正確性，為用戶直觀、快速地獲得O 形密封圈密封效果提供了一種新思路。