加有单侧挡圈的O形密封圈有限元分析.pdf

第38卷第4期
石油化工设备
2009年7月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
uly 2009
文章编号:1000-7466(2009)04-0043-0
加有单侧挡圈的O形密封圈有限元分析
掲亮,张秋翔,蔡纪宁,李双喜
(北京化工大学机电工程学院,北京100029)
摘要:借助于有限元软件MSC.MARC建立了某推进系统密封结构中辅助密封圈的二维轴对称
模型,分析了该结构在安装和使用时的接触变形、接触面上的接触应力分布等,并与实际工况及前
期的研究成果进行了对比。初步确定了O形密封圈及挡圈的易失效区域,验证了其接触面上的接
触应力随介质压力的增加而增加的结论。研究结果表明,加有单侧挡圈的O形密封関不但密封性
能好,而且能有效防止密封圈的挤出。此分析可为承受高压的辅助密封圈的结构优化设计提供
些理论基础。
关键词:密封;O形密封圈;接触问题;非线性;有限元分析
中图分类号:TQ050.4
文献标志码:B
Finite Element Analysis of O-ring with Single Side Gasket
JIE Liang, ZHANG Qiu-xiang, CAI Ji-ning, L Sh
nland-x
College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University
of Chemical Technology, Beijing 100029, China)
Abstract: With the help of finite element software MSC. MARC, the two-dimensional axial sym
metrical finite model of an auxiliary seal ring of a propeller was established; the contact deforma
tion and the distribution of contact stress within the sealing interface were analyzed, then the
practical results and others conclusion were compared, and the O-ring failure area preliminarily
was fixed. The conclusion was validated that the contact stress within contact surface increase
with the increasing of work pressure, the results also indicated that the O-ring with single side
gasket can provide good sealing property and prevent the seal ring from extruding effectively. The
analysis offered some theory foundation of the optimum design of high pressure sealing structure.
Key words: sealing; O-ring; contact problem; nonlinear; finite element analysis
O形橡胶密封圈主要用于静密封以及速度、密内外许多研究者对于辅助密封圈的研究日趋深入,
封压力较小条件下的动密封?。由于具有成本低、但是对有单侧挡圈的辅助密封圈的有限元分析还不
结构简单及安装方便等特点,多年来,已经在许多行多见。
业中得到了广泛应用,尤其在液压行业的应用更为
文中以丁睛橡胶材质的O形密封圈为示例,建
普遍。
立其轴对称有限元模型,分析了在安装和使用过程
O形密封圈密封原理为,依靠橡胶本身的弹性中的接触变形、接触密封界面上接触宽度及接触应
来预先压缩,给予密封表面一定的接触,形成在接触力等方面,以期对O形密封圈的设计和使用提供一
表面上的接触压力使其达到密封。近些年来,国定的理论依据。
收稿日期:2009-02-28
基金项目:国家科技支撑计划(2006BAFO1BO5-4)
作者简介:揭亮(1984-),男,江西广昌人,在读硕士,从事流体密封的研究工作。
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石油化工设备
2009年第38卷
1有限元模型的建立
及罚函数算法等。考虑到计算结果的精确性,文中
采用了直接约東法。
1.1计算模型
摩擦模型为库仑摩擦模型。文中沟槽与密封圈
选取沟槽深为7.5mm,槽宽为11mm的沟糟的摩擦因数a=0.6,挡陶与沟槽的摩擦因数2=
模型,即按照GB3452.1-82《O形橡胶密封圏尺寸0.1,密封圈与聚四氟乙烯(挡圈)的摩擦因数
及公差》建立。
0.05,有限元模型见图2。
O形密封圈断面直径为8.6mm,材料为腈基
丁二烯橡胶(NBR),材料常数C、C2分别为1.87
和0.47。垫圈材料选聚四氟乙烯,厚1.6mm3。
弹性模量1200MPa,泊松比为0.41。建立的辅
助密封圈的平面轴对称儿何模型见图1。
轴(轴套)
丁腈橡胶
图2辅助密封圏结构有限元模型
2有限元结果分析
刚体安装时,()形密封圈被压缩,此时其等效柯
沟槽
聚四氯乙烯垫图
西应力分布见图3。从图3可以看出,O形圈的应
图]辅助密封圈结构示图
力分布是对称的,旱呈哑铃状,靠近两接触面的应力较
1.2有限元模型
大,这与实际情况是相符的4。安装的同时,右侧挡
橡駮属于超弹性材料,具有很强的材料非线性
圈受轻微挤压,变形及应力很小,此时B1及B2接
和几何非线性。针对橡胶材料的应力应变关系,国
触面宽度也较小。安装之后,在(O形密封圈的左侧
内外学者已提出了基于统计热力学的Neo
逐步施加压力至2MPa和5MPa时,O形圈接触变
Hookean应变能函数、指数-双曲法则以及基于连续
体的表象学方法的 Mooney-rivlin、 Klosenr-scga,/形情况见图4~图5。
模型和 Ogden- Tschoegl模型-。
Mooney- Rivlin理论较好地描述橡胶类不可压
缩超弹性材料在大変形下的力学特性,本文采用
Mooney-rivlin本构关系。
简化后的具有2个材料常数的应变能函数可描
述为:
W=C1(I1ー3)+C2(I2ー3
式中,W为应变能,J;Cら1、C2为常数,1、12为成力张
图3刚体安装时的等效柯西应力分布
量的第1、第2不变暈。
材料应力应变关系见下式
C
(2
式中,e为应变,mm,o为应力,GPa。
1.3橡胶O形密封圈沟槽接触题的描述
密封圏与沟槽及轴(轴套)的接触是高度的非线
性行为,可以认为是柔性体和刚体的面与面接触,必
17)自
须满足不可穿透条件。目前,国内外对于接触问题
已出现了许多的求解方法,如直接约東法、子结构法
图42.0MPa的等效柯西应力分布