Ansys软件在设备密封性仿真中的应用

何新文，高驰名

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



Ansys软件在设备密封性仿真中的应用

何新文，高驰名

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要密封性是设备重要的防护性能，针对工程中经常出现的密封设计不合理导致设备密封失效、橡胶垫永久变形等问题，研究了橡胶密封原理、应力—应变关系，并利用Ansys分析橡胶垫变形，指导设备密封设计。阐述了橡胶垫片密封原理以及不同压缩量对密封性能的影响，给出了橡胶应力—应变计算公式，简单介绍了Ansys分析流程和常用的超弹性材料模型，以密封盒密封设计为例，说明如何应用Ansys对设备密封性能做定量计算。用Ansys对结构进行应力分析，找出盖板的危险截面，对危险截面渗透压进行详细地分析，仿真计算结果表明该方案可行。

关键词Ansys；橡胶密封；应力—应变关系；接触压力

The Application of Ansys in Sealing Performance Simulation of Equipment

HE Xin-wen,GAO Chi-ming

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractSealing is important for equipment.Improper sealing design could result in sealing fail and even permanent distortion of rubber.The rubber sealing principle,stress-strain relation and the application of Ansys in rubber distortion is researched in this paper to guide sealing design.This paper also expounds the rubber sealing principle and the influence of different compressive deformation to sealing and puts forward the calculation formula on stress-strain.The basic flow chart of Ansys and the model of hyperelastic material are briefly introduced.Taking a sealing box as an example,this paper explicates the quantitative calculating method of equipment sealing performance by Ansys.The model is analyzed by Ansys and the dangerous section is determined.The dangerous section of the rubber is analyzed in detail.Analysis results show the design is feasible.Experimental results prove the analysis method is feasible and effective.

Key wordsAnsys;rubber sealing;stress-strain relation;contact pressure

0引言

电子设备密封形式一般为静密封，主要采用垫片密封的形式来实现，而垫片材质的选择、密封沟槽的设计及垫片的安装是垫片密封设计的关键[1]。密封设备，当密封垫与结构间的接触压力大于外部水压时，才不会发生渗漏，传统密封设计一般仅凭经验，没有完整、可靠的计算方法，往往造成实际密封效果无法达到设计要求。利用Ansys软件对设备的密封性进行仿真分析，能真实、直观地展现橡胶、压板等结构件的应力、应变，显示各处的接触压力、流体渗透压力等。在Ansys软件仿真分析的基础上，提出了设备密封设计仿真分析方法，验证结构设计密封是否有效，为结构密封设计提供依据和指导。

1橡胶垫密封

密封电子设备结构一般可分为框架和盖板(底板、面板)2部分，框架与盖板之间常采用垫片密封。设备的密封性能主要取决于密封面形式和垫片[1]。橡胶垫片具有组织致密、质地柔软、回复性好和价格低等特点，是密封设计中常用的垫片。

1.1橡胶垫片密封原理

橡胶垫片密封主要是通过控制橡胶垫的相对变形量(简称压缩量)来达到密封的目的。如图1所示，橡胶垫未受压时的高度为H0，当橡胶垫受到压力F后的高度变为H1，其相对变形量ε为：ε=(H0-H1)/H0。

图1　橡胶密封原理

实践证明，当ε=10%时，橡胶垫与装配面的缝隙小至0.01 mm，但水分子仍然能渗透，当压力F继续增大，相对变形量ε取值范围在20%～30%时，由于橡胶垫的弹性及变形作用，橡胶垫紧贴装配面，水分子无法渗透，从而形成密封。如果进一步增大压力F，当相对变形量ε>30%后，密封质量改善不大，反而会由于疲劳破坏而加速橡胶损坏甚至破裂，影响密封效果。因此，在密封设计中，橡胶的相对变形量ε一般在20%～30%范围内取值为宜。设计中应当注意的是，橡胶的变形不仅与所加的压力有关，与温度、变形程度、受压时间以及材料本身的邵氏硬度等多因素有关，所以其变形与应力并非直线关系[2]。

1.2橡胶垫片的应力—应变关系

橡胶为超弹体，在计算中，一般假设橡胶不可压缩，泊松比μ≈0.5，变形前后截面积相等。橡胶的弹性模量不是固定值，即橡胶的应力与应变是非线性关系，一般通过试验来测定应力—应变关系。而在实际计算中，可以将橡胶的弹性模量视为固定值，通过经验公式计算出换算弹性模量，并确定应力与应变的关系。

在实际计算中，对于单向变形一般采用巴尔涅夫-哈扎诺维奇方程来计算应力与应变关系[3-4]：

(1)

式中，σ为应力；EP为换算弹性模量；ε为应变(橡胶垫的压缩量)。

换算弹性模量EP与理论弹性模量E的关系式为：

EP=(1+2×f×φ)×E。

(2)

式中，φ为形状系数，φ=S支÷S侧(S支、S侧分别为橡胶垫的支撑面面积和侧面积)；f为摩擦系数。

理论与试验研究均表明，对于各向同性材料，弹性模量E、泊松比μ与切变模量G之间存在如下关系：

E=2×(1+μ)G=2×(1+0.5)G=3G。

(3)

根据文献[5]，橡胶的剪切模量G与邵氏硬度HA有以下关系：

(4)

橡胶垫的材料、形状以及安装形式确定后，可由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)得出橡胶应力与应变的关系，进而可以在压缩量确定后计算橡胶垫的应力。

2橡胶压缩变形仿真分析

有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法，也称为有限单元法，基本思想是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式互相连接在一起的单元的组合体。有限元的实质是把具有有限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法。Ansys是最常用的、功能强大的有限元软件之一。

2.1分析流程

Ansys分析过程包含前处理、加载求解和后处理3个主要步骤。

前处理的主要工作有：定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立模型并划分网格。建立几何模型，并进行网格划分，生成物理模型，对实际问题进行模拟。

加载求解的主要工作有：定义分析类型相分析选项、施加载荷和约束、指定载荷步选项和计算求解。

后处理主要工作有：从求解结果中读取数据、对计算结果进行各种图形化显示、可对计算结果进行列表显示和进行各种后续分析[6]。

2.2超弹材料模型

Ansys中关于超弹性本构模型有一些关键假设：材料相应的各项同性、等温和弹性的；热膨胀是各向同性；变形完全可恢复；材料是完全或几乎不可压缩的。Ansys分析中常用的超弹材料模型有Arrbda-Boyce Model、Blatz-Ko Model、Gent Model、Mooner-Rivlin模型、奥格登可压缩泡沫模型和Ogden Potential等等[5]。

国内外学者通过大量实验，提出了描述这类材料应力—应变关系的本构模型。现在较为成熟的本构模型有2类:一类是基于热力学统计的方法，如Neo-Hookean、Kuhn-Grun、Arruda-Boyce和Gent 模型；另一类是以连续介质力学理论为基础的方法，如Mooney-Rivlin、改进的Mooney-Rivlin、Ogden和Yeoh 模型[6]。对于橡胶的应力应变分析一般采用2阶的Mooney-Rivlin模型，其表达式为：

(5)

Mooner-Rivlin模型支持当前技术单元：SOLID186、SOLID187、SOLSH190、SHELL208、SHELL209、SHELL181、SHELL182和PLANE183。

模型中的参数常量一般通过超弹材料试验数据拟合，即采用试验获得有关材料在压力下的形变规律，根据试验的数据拟合确定模型中的参数常量。

3设计实例

一种密封盒安装在户外，要求结构防护等级为浸水型机壳。根据要求设计其结构，外形尺寸为长×宽×高=200 mm×110 mm×34 mm，密封形式采用垫片密封，密封面形式为平沟槽密封面。结构主要由盖板、盒体和密封垫组成，盒体侧面装有连接器，连接器与盒体的缝隙采用O型圈密封，由连接器厂家保证连接器的密封性，因此设计时主要考虑盖板与盒体缝隙的密封。考虑到防腐蚀性，盒体和盖板均采用防锈铝，垫片采用硅橡胶板，其邵氏硬度为30。密封盒结构组成如图2所示。

图2　密封盒结构

3.1密封盒结构方案

密封垫采用宽度为B0=4 mm，高度为H0=3 mm的硅橡胶板，选择压缩量ε=30%。硅橡胶是超弹体，假设压缩前后硅橡胶体积不变，压缩后仍然为矩形，则压缩后密封垫的高度为H1=2.1 mm宽度为B1=5.715 mm，则盒体上固定密封垫的沟槽尺寸为：宽度b=6 mm，高度h=2.1 mm。

考虑到密封盒的尺寸，选择M3螺钉紧固盖板，根据式(1)、式(2)、式(3)和式(4)计算橡胶垫在压缩量ε=30%时的应力为：σ=0.74 MPa。若橡胶垫压缩前后体积不变，假设形状仍为矩形，可计算变形后支撑面面积，进一步得出将橡胶垫压缩到ε=30%时需要的压力：F=2 659.3 N。

根据文献[8-9]，考虑预紧力、扭转力和安全系数等因素，计算M3螺钉能承受的最大的拉力为：F=300.94 N。则，将橡胶垫压缩到ε=30%时需要的螺钉数量为：

n≥F÷P=2659.3÷300.94=8.84。

取n=10。螺钉布局见图2。盖板紧固后，密封垫的弹力会造成盖板变形，导致变形部位密封垫的压缩量无法达到设计的要求，这可能造成密封盒发生渗漏，因此需要对密封盒进行仿真分析，计算出盖板变形的最大位移位置，以及变形量，并以此为最危险截面，进行危险截面应力分析，计算接触压力，保证其密封性。

3.2密封盒应力分析

在Ansys中建立新的分析，赋予算例中各零件材料参数。盖板和盒体采用铝合金材料，弹性模量为：E=70 GPa，泊松比为μ=0.33；橡胶垫采用硅橡胶板，使用Mooney模型，具体参数为：弹性模量E=6.9 GPa，泊松比为μ=0.499 5,C10=2.5 MPa,C01=1.1 MPa,D=0[10]。定义盖板螺钉孔为固定，盒体底面向盖板移动0.9 mm，定义所有接触类型均为标准接触，摩擦系数设定为0.1。

求解完成后，软件采用云图的方式显示应力、位移和应变。分析结果如图3所示。

图3　盖板变形云

从图3中可以看出，盖板的变形一般在螺钉之间，最大变形为0.035 mm，计算变形处橡胶垫的压缩量:

压缩尺寸为：H1=0.9-0.035=0.865 mm，

最大变形处的密封垫压缩量最小，密封垫与结构件之间的接触压力也最小，因此选择此处截面作为最危险截面，进行分析。

3.3危险截面应力分析

在Ansys中建立新的分析，建立橡胶条平面应变受压模型，橡胶材料参数与上节相同。因为主要分析橡胶垫受压后的变形情况、接触压力以及流体渗透压，因此将其他结构件视为刚性。接触类型为标准接触，摩擦系数0.1。定义盒体底面为固定，盖板向下移动量为0.865mm，橡胶垫一侧施加水压力，如果橡胶垫与结构件之间的接触压力大于水压力，则不会发生渗漏；反之，橡胶垫与结构件之间的接触压力小于水压力，则发生渗漏。橡胶垫与结构件之间的接触压力如图4所示，水的渗透压力如图5所示。

图4　橡胶垫接触压力云

图5　水的渗透压力云

由图4和图5可以看出，接触压力最大为12.3 Mpa，流体渗透压最大为0.014 7 Mpa，接触压力远远大于流体渗透压，密封设计有效。

4结束语

以往设备密封设计仅凭经验，经常出现密封垫无法回弹、盖板变形和密封垫压缩量小等现象，导致结构密封失效。利用Ansys有限元仿真软件，对橡胶垫进行分析，可以得出橡胶的应力，进而计算该压缩量下的结构件尺寸、螺钉数量和布局等，使密封设计得到定量计算，提高结构密封的可靠性，值得在结构密封设计中推广与应用。设计师应积极掌握并运用仿真软件辅助结构设计，它能帮助查找结构薄弱环节，缩短产品的设计周期，降低试验成本，提高产品质量。

参考文献

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[3]周到，史敏，王磊，等.空气源热泵热水机组压缩机矩形橡胶圈的有限元分析[J].机械设计与制造，2009(6)：144-146.

[4]特雷劳尔.橡胶弹性物理学[M]．王梦蛟,译.北京:化学工业出版社，1982.

[5][日]户原春彦.防振橡胶及其应用[M].牟传文，译．北京:中国铁道出版社,1982:293-295.

[6]张洪才.ANSYS14.0理论解析与工应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2013.

[7]陈志，高钰，董蓉，等．机械密封橡胶O形圈密封性能的有限元分析[J]．四川大学学报(工程科学版)，2011(9)：236-239.

[8]GB/T3098.6-2000，紧固件机械性能、不锈钢螺栓螺钉和螺柱[S]，2000.

[9]陈立德.机械设计基础(第2版)[M]．北京：高等教育出版社，2004.

[10] 张洪才.ANSYS14.0工程实例解析与常见问题解答[M]．北京：机械工业出版社，2013.

何新文女，(1973—)，工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。

高驰名男，(1982—)，工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。

作者简介

中图分类号TH122

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)04-0075-04

收稿日期：2016-01-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.19

引用格式：何新文，高驰名.Ansys软件在设备密封性仿真中的应用[J].无线电工程,2016,46(4):75-78.