C形密封圈结构的有限元分析.pdf

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第37卷第2期
石油化工设
Vol 37 No. 2
2008年3月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Mar.2008
文章编号:1000-7466(2008)02-0025-04
C形密封圏结构的有限元分析
于振波,蔡永梅,唐晓初
(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001)
摘要:针对C形密封圈大变形和非线性特征,考虑其由櫲胶和钢组成的复合材料模式,利用AN
SYS对C形密封圈在快开盲板中安装和使用的高度非线性接触问题建立影响密封性能主要因素
的分析模型,分析了接触压カ随各个参数的变化规律。其結果对提高C形密封圏的研究设计水
平,改善密封圈的性能具有一定的理论意义和指导作用。
关键词:C形密封圈;密封性能;有限元;非线性;接触压力
中图分类号:TQ050.3;TH136
文献标志码
Finite Element Analysis of C Ring Seal Structure
YU Zhen-bo, CAI Yong-mei, TANG Xiao-chu
School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China)
Abstract: Focusing on characteristics of big deformation and nonlinear in C seal-ring and consid
ering the combined material model made of rubber and steel, the high nonlinear characteristic
this sealing member for its installation and usage in quick opening closure setting up analysis
model of main factors affecting C sea-ring performance by using ANSYS are studied. The disci
lines of contact pressure varying with different parameters are analyzed. The result of this study
has great theoretical and applicable meaning. for the improvement of level of study and design and
modification the performance of C seal-ring
Key words: C seal-rings seal performance; finite element; nonlinear; contact pressure
C形复合结构伺服密封圈(以下简称C型密封封性能主要因素的接触分析模型,分析总结了接触
圈)是一种新型密封元件,它通过介质内压的作用来压力随各个参数的变化规律。通过分析C形复合
增加密封圈与刚体间的接触压力,具有明显的伺服密封圈在不同钢丝直径、不同过盈量、不同密封间隙
特征,它采用的钢丝补强结构增加了承压能力,从而下的变形和接触压力变化规律,得到了密封圈安装
可在高压下具有良好形变及密封效果。C形密封圈固定与其过盈量、钢丝直径、密封间隙等因素之间的
以其独特的结构和性能优势得到了广泛应用,在高关系
压快开盲板中,C形密封圈是该承压设备的重要组
C形密封圈有限元分析模型
成部分,其性能直接影响设备的正常工作。文中针
对C形密封圈大变形和非线性特征,考虑了橡胶和1.1橡胶材料的有限元分析
钢组成的复合材料模式,对密封圈在快开育板中安
橡胶是一种各项同性、可高度变形、高弹性和压
装和使用的高度非线性接触问题进行研究,利用缩性较小的材料[:2,它不仅具有类似于金属材料
ANSYS结构分析软件采用直接接触法建立影响密的弹性性质,而且具有类似于粘性液体吸收能量的
收稿日期:2007-10-25
作者简介:于振波(1979-),男,辽宁朝阳人,在读硕士研究生,从事化工过程机械研究。
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石油化工设备
2008年第37卷
性质。由于橡胶材料的特性非常复杂,其材料和几释放
何特性均呈非线性变化,实际应用中往往还存在着
△U,3+U,>0
复杂边界条件和非线性接触等问题。所以橡胶结构
(2)粘式接触炳物体接触且无相对滑移
的有限元分析属于非线性有限元范畴,其非线性特
eF,+△Fn>0
征突出表现在以下3个方面:①橡胶材料的应力应
(4)
Fn+△Fn<以、(F+△F,)
变关系是一个非常复杂的非线性函数,用应变能函
(3)滑移接触两物体相接触,且沿接触面的切
数表示。②橡胶在力的作用下,一般伴随着大位移
大应变,其应变-位移关系也是非线性函数。③密封面有相对滑移。
°Fn+△F,>0
计算的边界条件非常复杂,必须包含接触面的受力
(5)
(Fm+△Fn)(△U
计算,接触面的受力呈非线性关系。
目前,人们一般采用 Mooney- Rivlin模型来描
式(3)~式(5)中,"Fm和"F。分别代表B物体作用
述橡胶材料复杂的应力-应变关系。一般橡胶弹性
于A物体的法向和切向接触力的初始值,△Fn和
体应变能密度为
△F分别表示其增量值,N;Dm表示两物体的初始
W=C1(1:-3)+Cn(12-3)
(1)间隙,UJ、811分别表示两物体法向和切向位移,
式中,W为应变能密度,MPa:1、1分别为第一、第△Un"和△U.分别表示其增量值,mm;为静摩
二应变张量的不变量;C、C为橡胶类材料常数,擦因数
式(3)~式(5)可用来判断相接触物体的接触状
对于不可压缩材料,应力张量不能由变形唯
变化。
确定。需要利用静水压力将弹性不可压缩这个内约1.3C形密封圈的有限元模型
束条件引人变形能密度关系式中
C形密封圈的有限元计算是一个包含超弹性不
W=C(l1ー3)+Cい:(12-3)÷p(13-1)(1)可压缩体分析的接触问题,通常在橡胶圈和盲板
式中,か为静水压力,MPa;I3为应变张量的第3个盖及筒体之间建立接触单元,将问题转化为由多种
主不变量。
材料组成的一个整体有限元分析。根据其形状及受
1.2接触间题的有限元分析
力特点,将结构进行离散,截取盲板盖和简体的局部
接触问题的复杂性是由于接触前后系统状态的与密封圈建立分析模型,见图2。利用 ANSYS9.0,
改变及接触边界条件的高度非线性所引起的。目选择8节点 PLANE82二维实体单元和超弹性4面
前,国内外已出现了许多接触问题的求解方法,如直体单元 HYPER74对分析模型各部分结构进行网
接约束法、子结构法及罚函数法等
格划分,几何形状规则的区域采用映射划分方法,不
物体接触边界的分析见图1,假设有相互接触规则区域采用自由划分方法。采用二维面面接触单
的A、B两物体,S,和S分判是给定的載荷和位移元 CONTACT172和目标单元 TRAGE169模拟
边界条件