橡胶O形圈密封性能的有限元分析.pdf

2012年6月
润滑与密封
June 2012
第37卷第6期
LUBRICATION ENGINEERING
Vol. 37 No 6
DOI:10.3969/j.isn.0254-0150.2012.06.014
橡胶O形圈密封性能的有限元分析
关文锦杜群贵刘不群
(华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510641)
摘要:采用 ABAQUS有限元分析软件建立O形密封圈的二维轴对称模型,研究预压缩率与介质压力对O形圈Von
Mises应力、接触应力、接触长度的影响,确定O形圈容易失效的位置,并使用 Karaszkiewicz接触公式对有限元分析的
结果进行验证。结果表明:0形圈和密封槽转角接触部位容易失效;接触应力呈抛物线分布,接触应力、接触长度随着
预压缩率、介质压力增大而增大,有限元计算值与 Karaszkiewicz公式计算值较为一致,验证了有限元分析结果的可3
靠性
关键词: ABAQUS;0形密封圈;压缩率;接触应力;接触长度
中图分类号:TB42文献标识码:A文章编号:0254-0150(2012)6-060-5
Finite Element Analysis of the Sealing Performance of Rubber O-ring
Guan Wenjin Du Qungui Liu Piqun
( School of Mechanical &Automotive Engineering, South China University of Technology
Guangzhou Guangdong 510641, China)
Abstract: The two-dimensional axisymmetric finite element model of the rubber O-ring was established with program
ABAQUS. The Von Mises stress, contact stress, contact length at different compression ratio and medium pressure were dis
cussed, and the failure location of the O-ring was defined. The result of finite element analysis was compared with that of
Karaszkiewicz's formula. The results show that the failure often occurs at the contact corner between the O-ring and the
sealing groove. The contact stress has a parabolic distribution along contact length, and the contact stress and contact length
become larger as the compression ratio and the medium pressure increased. The result of the finite element analysis shows
good agreement with that of Karaszkiewicz's formula, so the reliability of the finite analysis method result is validated
Keywords: ABAQUS: O-ring; compression ratio; contact stress; contact length
0形橡胶密封圈结构简单、密封可靠,被广泛用限的橡胶O形密封圈,采用能够反映橡胶O形圈受
于各种密封结构中,其性能影响着整个密封系统的寿力状态的 Mooney- Rivlin非线性应变能量密度本构模
命及性能。国内外对0形密封圈开展了较多的研究型,对其力学行为进行数值模拟,研究不同预压缩率
也制定了一些使用和设计规范标准,为设计使用带来和介质压力对 Von Mises应力、接触应力、接触长度
了一定的方便,然而这些规范标准基本上是依赖经验的影响,进而分析其与密封性能的关系;将有限元计
数据或是给出一些定性的原则,据此无法获得密封结算结果与 Karaszkiewicz公式计算值进行对比,验证有
构精确的性能,因此对O形圈密封性能进行分析是限元分析结果的有效性,从而为0形圈的设计以及
十分必要的。在国内,陈国定、任全彬等2通过有密封性能分析提供理论依据。
限元方法对0形橡胶密封圈的失效形式进行了一定10形密封圏有限元分析计算模型
的研究,初步探讨了影响密封性能的因素。国外1.1橡胶材料的本构模型
Lindley、 Georage、 Karaszkiewic等3?基于 Hertz接
研究的0形橡胶密封圈材料为丁腈橡胶
触理论建立了0形密封圈的接触长度以及最大接触(NBR),产品规格为30mmx3.1mm,硬度为
应力的相关数学模型,在衡量0形圈密封可靠性方IRHD65,弹性模量E=5.52MPa。橡胶材料是一种
面起到重要作用。
超弹性、可高度变形的材料,在实际应用中,橡胶材
本文作者将使用有限元方法,针对沟槽中单侧受料存在着复杂的边界条件和接触非线性等各种问题。
它的应力状态与一般的工程材料不同,不能用一条弹
收稿日期:2011-12-23
塑性响应曲线表示,其应力应变关系需要使用应变能
作者简介:关文锦(1987),男,硕土研究生,研究方向为气密度函数来描述,应变能密度函数本构模型的选取需
动密封技术,E-mail:guanwenjin@sina.cn