基于ABAQUS的舌形密封圈结构参数分析

刘奇，赵彬，高文磊

(中国船舶集团有限公司 第七一三研究所，河南 郑州 450015)

0 引言

密封圈广泛运用于工程机械[1]、船舶[2]、化工[3]等各种气液压系统中，对系统的密封性运行起着至关重要的作用。某船用大型矩形密封结构采用的是D形密封圈(图1)，依靠固定板与活动台压缩D形密封圈进行密封。而活动台由于功能要求需要频繁地动作，进而造成了D形密封圈的磨损从而引发密封泄漏；同时该矩形密封结构的密封接触范围为5m×0.8m，密封难度较大，在固定板承载变形后会进一步地引发密封泄漏。为提升密封圈的耐用性和可靠性，设计了一种舌形结构的密封圈(图2)。为确定该舌形密封圈的合理结构参数，本文利用分析软件ABAQUS对舌形密封圈进行建模和计算，分析了舌形密封圈主要参数对密封性能的影响，为后续的结构设计提供理论依据。

图1 D形密封圈结构

图2 舌形密封圈结构

1 计算模型的建立

根据舌形密封圈的材料和结构的轴向一致性，采用二维平面模型进行密封性能的分析。同时对舌形密封圈的边界条件进行简化，以提升计算模型的计算效率。简化后的二维平面计算模型如图3所示。舌形密封圈主要是由舌状橡胶条与固定板的侧板抵压而进行密封，结构设计时主要考虑厚度B、舌宽H、舌张角α参数。

图3 二维平面计算模型

1.1 密封圈的本构模型

舌形密封圈采用的是橡胶材料，其材料可以经过大的变形而保持体积不变，也就是说可以被认为是不可压缩的材料。据此，可以选用Mooney-Rivlin模型来描述橡胶类物理非线性材料，其模型表达式为[4]

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W为应变能密度；C10与C01为材料Mooney-Rivlin系数；I1和I2分别为第一、第二应变张量的不变量。本文的舌形密封圈材料为腈基丁二烯橡胶，C10与C01分别取1.87和0.47[5]。

1.2 有限元模型

舌形密封圈的有限元计算，是一个超弹性不可压缩的非线性接触问题。根据二维平面计算模型的特点，在有限元模型中作如下处理：

1) 固定板侧板材料为普通碳素钢，弹性模量E=210000MPa，泊松比μ=0.3；

2)为了便于求解，将固定板侧板作刚体处理；

3)考虑固定板侧板与舌形密封圈之间的摩擦，取摩擦系数为0.3；

4)设定初始边界条件为舌形密封圈下端固定；分析采用侧板下移接触橡胶密封面；

5)网格单元采用带减缩的一阶平面应变单元CPE4R。

划分网格后的有限元模型如图4所示(本刊黑白印刷，相关疑问咨询作者)，仿真计算接触应力云图(B=70mm，H=30mm，α=45°)如图5所示。

图4 有限元模型

图5 接触应力云图

2 舌形密封圈的结构参数分析

2.1 密封性能评价标准

根据密封原理，实现可靠密封的充分必要条件是舌形密封圈与固定板侧板接触界面上的接触应力不小于被密封的压力[6]，也就是说接触面上的接触应力大小可以决定机构密封性能的高低。采取接触面上的最大接触应力作为评判舌形密封圈结构参数设计的优劣。

2.2 正交实验

舌形密封圈的结构设计需要综合考虑厚度B、舌宽H、舌张角α等因素。多因素分析时可考虑采取正交实验法，通过正交表对试验数据进行综合比较与整体分析，用较少的试验次数来获得可靠性较高的试验数据，以此来选出最优化的参数组合。

根据舌形密封圈的实际结构限制，用正交试验法设计了三因素、三水平的正交实验方案，采用L9(34)正交表设计试验方案，试验方案及结果如表1所示。

表1 正交试验方案及结果

2.3 正交结果分析

通过正交试验表可以看出第9组试验选用的参数可以获得较大的接触应力，其选用方案为B(75)H(40)α(45)组合。为更深入地确定3个参数对密封性能影响的主次顺序，对设计方案进行初步的优化，选用极差法进行数据分析，其步骤如下[7]：

1) 计算任一因素列上相同水平所对应的试验结果之和K1、K2、K3；

2) 计算极差，R=max(K1,K2,K3)-min(K1,K2,K3)；

3) 比较极差大小。极差值R越大，代表该因素对试验结果影响越大。

根据极差法步骤，可得舌形密封圈的极差分析结果如表2所示。

表2 极差分析结果

2.4 最优组合仿真验证

采取结构参数厚度B为75mm，舌宽H为40mm，舌张角α为60°的参数组合进行数值模拟仿真，仿真结果如图6所示。通过应力云图可知，最大接触应力达到了6.453MPa，明显优于其他试验组合，为舌形密封圈的最优参数组合。

图6 最优组合接触应力云图

3 结语

1)利用有限元软件ABAQUS完成了舌形密封圈的非线性分析，通过模拟仿真完成了对结构密封性能的预测，避开了大量、重复的人工实验，提升了工作效率；

2)采取数值仿真技术研究了结构参数对密封性能的影响，为进一步的结构设计提供了理论依据，避免了传统设计依靠人为经验所带来的不确定性；

3)运用正交试验与极差分析法，通过较少的试验数据得到了舌形密封圈的结构参数对密封性能的影响由大到小依次为：舌张角α、舌宽H、厚度B；舌形密封圈的最优设计组合为：B(75)H(40)α(60)，并通过了模拟仿真的验证。