Page 40 - 《橡塑技术与装备》2017年18期（9月下半月塑料）
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橡塑技术与装备（塑料）                              CHINA RUBBER/PLASTICS  TECHNOLOGY  AND EQUIPMENT (Plastics)





                  O 形橡胶密封圈的非线性有限元初探


                 Nonlinear finite element analysis of O-shape rubber sealing
                                                        ring




                                                        殷冬冬
                                      ( 庆安集团有限公司，陕西  西安  710077)


                   摘要 ： 借助非线性有限元的方法建立了一种 O 形橡胶密封圈轴对称的模型，并且根据这个模型进一步分析和研究了 O 形橡胶
                密封圈接触应力在不同工作压力、不同压缩率下的变化情况，同时也得出了初始压缩率与接触宽度之间的规律性。通过数据分析
                出了最大接触应力与压缩率以及介质压力之间的关系，计算出了它们之间的变化表达式，希望以此可以为这种类型的 O 形橡胶密
                封圈在结构设计方面提供一定的参考经验。
                   关键词 ： O 形橡胶密封圈 ；非线性有限元 ；接触应力
                   中图分类号 ： TQ336.42                               文章编号 ： 1009-797X(2017)18-0022-04
                   文献标识码 ： B                                      DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2017.18.005







               O 形橡胶密封圈是一种重要的密封件，它具有成                        1.2 材料模型的建立
           本低廉、结构简单、使用方便等特点，它的使用十分                               利用 Mooney  Rivlin 模型来说明橡胶类物理非线
           广泛，O 形橡胶密封圈在为液压密封方面也发挥着重                          性材料，在这个模型中，应变能密度即为 W，Rivlin
           要的作用。O 形橡胶密封圈的设计计算涉及到了多方                          系数记为 C ij , 第一、二 Green 应变不变量记为 I 1 、I 2 ，
                                                                                 i
                                                                                       j
                                                                     ∞
           面的知识，包括固体力学、摩擦学以及高分子材料学                           公式为 ∑ ij =0=C ij (I 1 -3) (I 2 -3) 。在材料模型的建立过
           等等。非线性有限元方法是近些年出现的一种解法，                           程中会根据现实条件的不同涉及到大量的计算步骤，
           它在工程领域将会发挥着越来越大的作用。通过非线                           这里不做详细说明。
           性有限元方法可以更好地了解 O 形橡胶密封圈，分析                         1.3 橡胶 O 形密封圈与沟槽接触的问题
           接触应力与初始压缩率、介质压力之间的关系。现在                               两个物体在满足无穿透约束条件时就会出现接触
           大部分的 O 形橡胶密封圈的安装与使用都是按照传统                         问题，可用公式表示为 :ΔUAn ≤ H，A 为橡胶 O 形密
           经验进行的，还缺少对它的理论分析。国内外的部分                           封圈上的一个点，ΔU A 表示 A 的增量位移向量 ； n 表
           学者已经通过非线性有限元的方法对 O 形橡胶密封圈                         示单位法向向量 ； H 表示接触距离容限。满足上式的
           进行了理论上的分析，但还是仍处于起步阶段，尚存                           问题就是接触问题，是带约束条件的泛函极值问题，
           在较大的研究空白。                                         通常用拉格朗日乘子法和罚函数法求解。本文在对接
                                                             触应力和其他数据进行计算时使用了直接约束法。橡
           1 橡胶 O 形密封圈有限元模型的建立                               胶 O 形密封圈的收敛速度快慢、与刚体的接触变形情
           1.1 几何模型的建立                                       况都与网格的自动适应功能有关。
               本文中借助的非线性有限元分析软件是 MSC.                            O 形橡胶密封圈的结构、约束条件、内部介质等
           MARC，在这个软件中建立有限元网络模型需要根据                          都是抽对称分布的，所以可以把 O 形橡胶密封圈看做
           橡胶 O 形密封圈的实际断面尺寸和相对应的沟槽尺寸                         一个二维对称问题。使用库伦模型作为摩擦模型。假
           来确定。利用自动网格划分的功能对橡胶 O 形密封圈
                                                                作者简介 ：殷冬冬（1984-），男，大学本科，工程师，主
           进行网格划分，简化沟槽后成为刚体固定边界。                             要从事橡胶、塑料、喷涂方面研究工作。
                                                                收稿日期 ：2017-05-15

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