波形密封圈設計及密封性能分析

杜艷平 袁琦

【摘? 要】本文主要闡述波形密封圈的設計思路。基于大型商用有限元分析軟件ABAQUS對點火線圈連接器波形密封圈的密封性能進行仿真，分析密封圈密封面處的接觸壓力、Mises應力與保持力。仿真計算結果證明該密封圈滿足密封性、強度與防脫性設計要求，通過實驗也可驗證有限元分析的正確性，為無實物密封件的設計驗證提供解決辦法。

【關鍵詞】連接器；波形密封圈；接觸壓力；Mises應力

中圖分類號：U463.64? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0047-03

【Abstract】This paper describes the design thought of corrugated seal ring.The sealing performance of the ignition coil connector was simulated based on the commercial finite element analysis software ABAQUS.And the contact pressure at the sealing surface，Mises stress and holding power were analyzed. The simulation results show that the sealing ring meets the design requirements of sealing，strength and anti-stripping. The correctness of the finite element analysis is also verified by the experiment，which provides a solution for the design verification of the no physical seal.

【Key words】connector；corrugated sealing ring；contact pressure；Mises stress

點火線圈連接器安裝在發(fā)動機艙，其工作環(huán)境惡劣，要求密封等級S2，因此密封圈在不同溫度下滿足強度要求和具有良好的密封性是保證連接器長期正常工作的必要條件。該密封圈使用的材料為MQ（硅橡膠），其特點是使用溫度范圍廣，特別是在高溫環(huán)境下，硅橡膠仍能保持一定的延展性、柔韌性，且力學性能沒有明顯的變化，非常契合該連接系統(tǒng)的使用環(huán)境。密封圈設計是否合理從以下3個方面判斷：一是密封面上的最大接觸壓力應大于內部介質壓力，這是實現密封的前提；二是密封圈在安裝壓縮狀態(tài)下的等效應力不得大于橡膠材料的許用應力，保證密封圈不發(fā)生破損與龜裂；三是密封圈在護套上有一定的保持力，使其不易脫落。

1? 設計

波形密封圈的設計需要考慮護套尺寸、原材料、徑向壓縮率、填充率、預變性、拉伸伸長率等因素，護套與密封圈示意如圖1所示。壓縮率可由公式（1）表示。壓縮率是影響密封性的重要因素，壓縮量過小會產生泄漏，壓縮量過大會引起密封件的撕裂。填充率是密封圈的體積與密封槽體積之比，可由公式（2）表示。填充率過大，會導致插拔力偏大，加劇永久變形；填充率過小會導致密封圈隨著振動而來回移動，會加速磨損，降低使用壽命。當密封圈預裝到護套上時，為了防止其脫落，需要一定的拉伸伸長率，但拉伸伸長率不宜過大，否則會導致不易裝配，甚至出現泄漏。拉伸伸長率可由公式（3）表示。

2? 有限元分析

密封件的密封行為是極為復雜的非線性行為（包括幾何非線性、接觸非線性和材料非線性），其接觸壓力及應力計算十分困難，有限元分析使密封圈的接觸壓力、應力與脫落力的計算成為可能。針對密封件密封性能問題，武漢科技大學的蔣國璋、陳少華、謝良喜、李公法通過有限元分析軟件，分析并計算了旋轉軸直徑、O形圈截面直徑、O形圈內圓周壓縮率等結構參數，也對密封面最大接觸壓力和范·米塞斯應力的影響進行了計算和分析[1]；廣東機電職業(yè)技術學院汽車學院的郝偉通過有限元分析對密封墊密封面處的接觸壓力、Von Mises應力與脫落力進行計算[2]；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的馬洋洋、雷剛、胡強松和劉奔奇對不同溫度下的密封膠條進行熱應力計算分析，得到橡膠密封膠條在不同溫度下的Von Mises應力、壓縮率、接觸應力和接觸寬度[3]。本文通過單軸拉伸、平面拉伸和雙軸拉伸試驗擬合出橡膠材料的Mooney-Rivlin模型，采用ABAQUS軟件建立密封圈的有限元模型，研究了連接器對配前后密封圈接觸面接觸壓力、Mises應力及保持力。

2.1? 本構模型

仿真模擬前提/假設：①橡膠材料不可壓縮且為各向同性；②剪切變形服從胡克定律，在反向拉鎖或壓縮疊加剪切也遵循胡克定律。

目前用有限元方法分析橡膠變形及應力時，其材料模型一般是Mooney-Rivlin模型或Yeoh模型，其中前者適用于應變小于100％（拉伸）和30％（壓縮）的中小變形分析，而Yeoh模型適用于大變形分析[4]，在連接系統(tǒng)中，密封墊和密封圈的變形都很小，因此采用Mooney-Rivlin模型。其簡化函數表達式為：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3）（4）

式中：W——應變能密度；I1和I2——分別為第一、第二應變張量不變量；C10和C01——分別為模型材料系數。

2.2? 有限元模型建立

在建立有限元模型時需要注意以下幾點。

1）3D模型：由于密封圈的結構和受力都是對稱的，因此本分析采用1/4模型進行分析，從而節(jié)約計算成本，提高分析效率。

2）材料屬性：將橡膠材料的單軸拉伸試驗、雙軸拉伸曲線及平面拉伸試驗的名義應力應變曲線輸入ABAQUS中得出：C10=0.1065、C01=0.0922。

3）網格劃分：對于不可壓縮的超彈性材料應該使用六面體一階雜交單元C3D8H。

2.3? 有限元分析結果

在連接器未對配前，密封圈的彈性應變云圖如圖2所示，此時的應變達到42.62％；密封圈的接觸應力云圖如圖3所示，密封圈內圈筋上中間部分接觸應力為0，此時尚不具備密封作用；密封圈的Mises應力云圖如圖4所示，此時的最大應力0.586MPa，小于材料的單軸拉伸強度1.057MPa；密封圈的狀態(tài)如圖5所示，密封圈內筋有少許變形；圖6為密封圈的初始位置，而圖7為密封圈保持力1.01N時的位置，相較于其初始位置下邊位置不變，僅上邊位置有變形發(fā)生，可判定為保持力在1.01N時，其位置不變，即未配合的連接器密封件保持力合格。

在連接器對配后，密封圈的彈性應變云圖如圖8所示，最大應變達到75.12％；密封圈的接觸應力云圖如圖9所示，密封圈內圈和外圈筋上均有接觸應力，且接觸應力大于0.048MPa的試驗壓強，滿足密封性能要求；密封圈的Mises應力云圖如圖10所示，最大應力1.053MPa小于其單軸拉伸的拉伸強度1.057MPa，不會發(fā)生撕裂等破壞；密封圈的狀態(tài)如圖11所示，連接器配合后，密封圈內筋幾乎被壓平，外筋也由原來的圓弧被壓成平面，內外圈的接觸面積增大，保證了密封圈的密封效果。

3? 試驗

按照汽車電線束和電氣設備用連接器第1部分定義、試驗方法和一般性能要求[5]中的密封性試驗標準進行試驗（圖12），調整壓力使之能提供48kPa的壓力，當達到規(guī)定壓力時，觀察樣品至少15s，無氣泡產生；調整壓力，使之能提供-48kPa的壓力，達到規(guī)定壓力時，觀察樣品至少15s，無氣泡產生。

4? 結論

以某發(fā)動機點火線圈連接器密封圈為研究對象，詳細闡述了密封圈的密封性的分析過程，表明密封圈滿足橡膠材料使用要求與產品的密封要求。有限元仿真計算可在無實物的情況下進行驗證，可大大減少密封件的開發(fā)中樣件試制與試驗次數，降低開發(fā)成本并縮短研發(fā)周期。

參考文獻：

[1] 蔣國璋，陳少華，謝良喜，等. O形旋轉密封圈的密封性能有限元分析[J]. 機械設計與制造，2014（6）：178-181.

[2] 郝偉. 發(fā)動機點火線圈密封墊密封性試驗與計算研究[J]. 現代制造工程，2015（10）：133-137.

[3] 馬洋洋，雷剛，胡強松，等. 基于ABAQUS的變截面橡膠密封條熱應力與密封性分析[J]. 潤滑與密封，2019，44（11）：112-116.

[4] 黃建龍，解廣娟，劉正偉. 基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超彈性橡膠材料有限元分析[J]. 橡膠工業(yè)，2008，55（8）：467-471.

[5] QC/T 1067，汽車電線束和電氣設備用連接器第1部分定義、試驗方法和一般性能要求[S].

（編輯? 凌? 波）