O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟.pdf

2011年9月
润滑与密封
p.2011
第36卷第9期
LUBRICATION ENGINEERING
Vol 36 No 9
DOI:10.3969/isn.0254-0150.2011.09,020
0形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟
李振涛孙鑫晖张玉满郝木明
(中国石油大学(华东)密封技术研究所山东东营257061)
摘要:利用 ABAQUS软件建立海底采油设备用0形密封圈轴对称模型,对其在不同压缩率、不同油压时的 Von M
ses应力及密封面接触压力分布规律进行探讨,确定O形密封圈材料易失效位置;分析压缩率和油压对O形密封圈最大
Von Mises应力、最大接触压力及最大接触压与油压压差的影响。结果表明:0形密封圈最大 Von Mises应力、密封面最
大接触压力随压缩率和油压的增加而增加,且0形密封圈在中低高压下的密封能力高于超高下的密封能力,为海底采
油设备用0形密封圈的结构设计及选型提供相关参考
关键词:0形密封圈; Von Mises应力;接触压力;非线性有限元分析
中图分类号:TB42文献标识码:A文章编号:0254-0150(2011)9-086-5
Finite Element Numerical Simulation of the Sealing
Performance of O-ring Seals
Li Zhentao Sun Xinhui Zhang Yuman Hao Muming
Institute of Sealing Technology, China University of Petroleum, Dongying Shandong 257061, China)
Abstract: ABAQUS was utilized o establish the axis mmetric model of O-ring seals used for subsea production equip
ment. The distributions of the Von Mises stresses and the sealing surface contact stresses were discussed and the places of
material failure were defined. The infuence of compression ratios and oil pressures on the max Von Mises stresses, the max
contact stresses as well as the differences of the max contact stresses and oil pressures were analyzed. The results show that
the max Von Mises stresses and the max contact stresses of O-ring seals increase as compression ratios or oil pressures in
crease, and the sealing performance in low pressure is better than that in super high pressure, which provides references for
the structural design and selection of O-ring seals used for subsea production equipment
Keywords: O-ring seals; Von Mises stresses; contact stresses non-linear finite element analysis
0形密封圈因其结构简单、易于安装拆卸等优
0形密封圈材料为櫲胶材料,近似为不可压缩超
点,在各领域得到广泛应用。随着对环保、安全认识弹性材料。在实际应用中,橡胶材料存在着复杂的边
度的提高,人们对各领域使用的0形密封圈的密封界条件和接触非线性等各种问题。橡胶材料的非线性
性能的要求越来越高。目前一些领域对0形密封圏主要体现在以下3个方面:材料应力应变非线性、几
的结构设计、选型等均是通过经验获得的,但是在重何应变位移关系非线性及接触非线性,其中,橡胶材
要场合(航空航天、海底采油设备等)下,经验是料的材料应力应变非线性可用应变能函数来表示。
远远不能满足要求的。
橡胶材料的应变能函数形式较多,准确地确定应
针对海底采油设备用O形密封圈需满足密封性变能函数形式对分析计算结果非常重要,本文作者将
能良好且使用寿命长等特点,本文作者采用 ABAQUS0形密封圈材料的单轴拉伸、等双轴拉伸及平面剪切
软件对0形密封圈建模,分析其在不同压缩率和油试验数据输入 ABAQUS软件中拟合并得到各种应变
压时的应力及接触压力等的变化规律,为O形密封能函数曲线,然后将其与试验曲线进行匹配,最终确
圈结构设计及选型提供相关参考。
定应变能函数选用 Mooney- Rivlin函数23,即
0形密封誾有限元分析计算模型
W=Co(1-3)+Ca(2-3)
橡胶材料有限元分析及本构模型
式中:W为应变能,Co、Co为材料的力学性能常数。
1.2有限元分析模型
收稿日期:2011-04-11
图1所示为0形密封圈有限元分析模型,产品
作者简介:李振涛(1983-),男,硕士研究生,研究方向为流规格为5.7mm×289.3mm,材料为HNBR,邵氏硬
体动密封.E-mail:10901@163.com.
度为75。模型中上法兰、下法兰均采用轴对称解析