Page 67 - 《橡塑技术与装备》2022年8期

理论与研究 王晓冬 等·闸阀用聚氨酯密封圈密封性能模拟研究

或蠕变会使密封圈力学模型成为复杂的黏弹性问题。 在建立有限元模型的过程中，可大致分为几何模
因此，为精确求解问题，提出如下假设 [15] ： 型的构建、划分网格、定义边界与区域类型，网格划
（1）忽略密封结构的重量，建模时对密封结构采 分是一个非常重要的环节。由于本文所用模型是一个
用二维轴对称模型。 二维模型，并且计算结果只与密封圈有关，因此闸板
（2）聚氨酯密封圈具有确定的弹性模量和泊松比， 和阀体网格质量可以低于密封圈。密封圈的单元尺寸
聚氨酯的泊松比接近于 0.5。 设置为 1 mm，闸板和阀体的单元尺寸设置为 5 mm，
（3）材料各向同性，变形可以完全恢复，蠕变不 划分的网格数量为 9 243 个，节点数量为 9 601 个。
引起体积变化。
密封圈模型示意图如图 1 所示。后端密封圈主要
是与闸板接触形成密封，对材料的耐磨性有一定的需
求，选用硬度较高的材料 ；而前端密封圈主要负责回
弹，常选用硬度较低弹性较好的材料 ；闸板和阀体的
材料为钢。具体材料性能参数见表 1。

图 2 简化二维模型示意图
2.3 求解设置
整个求解过程共设置 3 个分析步，其中第一分析
步为加载阶段（闸板下落，密封圈被挤压）；第二分析
步为卸载阶段 ( 闸板升起，密封圈回弹 ) ；第三分析步
保持原状态不动（闸板收回，密封圈回弹）。模型的约
束设置关系到有限元的分析结果收敛性，约束不完全
时，求解的收敛性比较低，会引起模型的扭曲变形，
无法求解，导致发散 ；所以要对模型进行合理的约束
图 1 部分闸阀模型示意图
设置，提高求解的成功率。为了使模型更加接近实际
表 1 各材料性能参数
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材料 密度 . ρ/(kg·m ) 弹性模量 E/MPa C 01 /MPa C 10 /MPa 情况，对有限元模型施加的约束条件为 ：
60A 1 250 3.61 0.482 5 0.120 6 （1）在密封圈左侧面添加固定约束 ；
72A 1 250 6.09 0.812 4 0.203 0
85A 1 250 12.51 1.668 8 0.417 2 （2）阀体不动，即阀体上施加全约束，U X =0、
结构钢 7 850 2×105 - - U Y =0，即 ALLDOF=0 ；
（3）在闸板上施加 X、Z 轴方向固定约束，给其
2.2 物理模型及网格划分
Y 轴方向位移约束，位移量为 -100 mm。
利用 ANSYS WORKBENCH 有限元软件对常温
密封圈的接触问题属于刚柔接触问题，在 ANSYS
下闸阀密封圈的工作状态进行模拟，绘制密封结构在
有限元计算中，通常采用增广拉格朗日法进行描述，
工作环境下的压缩回弹特性曲线图，为试验探究提供
接触非线性方面的接触类型选择 Frictional 摩擦模型，
一定的参考。将密封圈简化为平面，由于密封圈的结
为了提高计算结果的精确性，将其定义为面与面接触
构具有轴对称性，因此建立二维单元有限元模型。利
的问题，且通常把刚性面 ( 闸板和阀体接触面 ) 定义
用 ANSYS 中的 New Designmodeler Geometry 分别
为目标面，柔性面 ( 密封圈接触面 ) 定义为接触面。
对密封圈、闸板、部分阀体进行二维建模如图 2 所示。
密封圈是一个规则的区域，因此选用结构网格对其进
行网格划分。 3 结果与讨论

年
2022 第 48 卷 ·17·