O型圈密封结构有限元分析及可靠性灵敏度研究.pdf

技术前沿
FORWARD TECHNOLOGY
O型圈密封结构有限元分析阪
可囊性灵歌度究
文/沈阳机床股份有限公司王馨舶
引言
挤压到低压侧,加大了O形圈的弹性变形,封闭了液
随着数控机床自动化程度的提高,越来越多的液压元件的间隙,达到密封效果,如图2。
压部件被安装在数控机床上。而液压部件对密封结构
的可靠性要求很高,一旦该结构设计不合理,液压部
件在工作中就会产生密封失效,从而导致液压油外泄。
这种故障轻者将引起工作压力的曲线变差,使工作压
力失控;严重的还会使数控机床无法正常工作,甚至
损坏工件。
为了研究影响密封结构中的密封失效因素,本文
选取了某数控机床上液压缸的O型圈密封结构为研究
对象。本文在采用有限元软件 ANSYS对密封结构进
图10形圈安装图
图2O型圈工作图
行建模和应力分析计算的基础上,结合 ISIGHT软件
简化后模型如图3所示,把缸筒和活塞作为刚
进行计算机仿真实验,对影响密封结构相关参数的可
靠性灵敏度进行了无量纲化分析,为密封结构设计体考虑,均用线代表面表示。L1代表缸筒,由L2
R1、L3、R2、L4、R3、L5、R4、L6所组成的轮廓
辟了一个新的途径。
代表活塞。O型圈作为柔体考虑,由C1、C2、C3
1、基于 ANSYS的模型简化与静力学C4所组成的圆代表?型密封圈,因为?型圈的失效
分析
主要发生在与缸筒的接触面以及与活塞的接触面上,
所以在建模中过程中忽略了部分缸筒和活塞材料,这
1.1有限元模型简化
并不影响计算分析。在 ANSYS中,对O型密封圈采
0形密封圈安装如图1所示,由于槽的宽度大于用8节点二维实体 PLANE183单元进行网格划分
0形圈的直径,所以O型密封圈在密封槽中处于被压它由384个单元,947个节点,13个关键点,14条
缩状态。工作时,由于液压介质压力作用,O形圏被线,4个区域组成。
第10期数控机床市场?63
F
技术前沿
ORWARD TECHNOLOGY
右侧壁产生应力集中。整体受力极不均衡。因此使O
型圈易发生损坏,从而产生泄漏,这与O型圏失效的
区域基本吻合
2、运用过程集成软件 ISIGHT进行实
验仿真
.4
2.1密封结构随机变量选取
图3密封结构有限元模型
由于密封结构的尺寸参数较多且具有随机性,如
1.2静力学分析
果在其可靠性设计过程中考虑所有的尺寸参数,势必
图4为未加液压力状态下,压缩量为0.5mm时
造成工作量的冗余。本文从密封结构中选择几个影响
比较显著的变量参数进行结构可靠性分析,变量参数
所模拟的等效应力云图。从图中可以看出:上下接触见图6,其参数分布情况见表1。
面附近由于变形较大,所以应力也较大。两侧接面触
附近由于变形较小,所以应力也比较小。图5模拟了
dy
施加1Mpa液压力后的等效应力云图。在压力作用下,
0型圈被挤进活塞和钢筒的间隙。在活塞沟槽内,与
ELEMENT日 NOTION
(NOAVGI
图6密封结构参数分布图
本文的 ISIGHT集成过程可理解为:过程集成软
件1S|GHT提交随机输入变量(表2)给有限元软件
ANSYS,再陆续保存 ANSYS输出的最大接触应力m
按表1的随机输入变量进行实验仿真,共取得1000
001104.0301.0组样本,部分样本见表2所示:
图4加压前的等效应力云图
ELEMENT SOLUTION
3、基于均值一次二阶矩法的密封结
SUB B1
E=,320375
构可靠性灵敏度分析
,951000
3.1运用BP神经网络拟合函数
以随机变量h,R,f,P,dy,w,e作为网络的
输入函数,Om作为网络的输出参数,建立7-14-1
的三层BP神经网络模型,如图7。得到最大等效应
力与各随机变量[h,R,f,P,dy,v,e]之间的
函数关系:
on。=、+SWkM+ S wix)
330789
537529
744268
951008
图5加压后的等效应力云图
?64?第10期数控机床市场
技术前沿
RWARD TECHNOLOGY
表1随机变量概率分布情况
随机变量名称
随机变量代号
分布类型
变量均值
变量标准差
沟槽深度
正态分布
2.65
0.016667
O型圈半径
正态分布
1.775
0.016667
安装压缩量
正态分布
0.5
0.083333
工作压力
正态分布
1.0
0.66667
杨氏模量
E
正态分布
2.85
0.0141
泊松比
正态分布
0.49967
0.00249835
摩擦系数
正态分布
0.2
0.001
表2神经网络训练样本
样本h
R
P
max
2.651.74500.19841.00300.478500.50522.78321.46129307
22.65011.80580.20111.03140.48310.50122.78681.49909691
992.74991.77470.20021.06590.50650.50052.81781.56290035
10002.751.76870.20181.04630.52260.49272.83251.53381397
式中W%和Wn为网络的连接权值,O和θ,为网3.2运用一次二阶矩法计算密封结构的可靠
络阈值。
性及可靠性灵敏度
可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行的,用
于评价各设计参数的改变对结构可靠性影响,即敏感
性。本文在对密封结构进行灵敏度设计时,采用随机
摄动方法,二阶矩技术相结合的方法求解密封结构可
ーンの。?靠性灵敏度。所用到的公式如下:
轴出层
可靠性指标:
Eg X
(2
ar g
隐含层国
可靠度:R=p(B)
(3
图7BP络模型
式(3)中()为标准正态分布函数。
第10期数控机床市场?65