Ansys软件在设备密封性仿真中的应用

Ansys软件在设备密封性仿真中的应用新文;高驰名备密封失效、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。%Sealingisimportantforequipment.Impropersealingdesigncouldresultinsealingfailandevenpermanentdistortionofrubber.Therubbersealingprinciple,stressstrainrelationandtheapplicationofAnsysinrubberdistortionisresearchedinthispapertoguidesealingdesign.Thispaperalsoexpoundstherubbersealingprincipleandtheinfluenceofdifferentcompressivedeformationtosealingandputsforwardthecalculationformulaonstress-strain.ThebasicflowchartofAnsysandthemodelofhyperelasticmaterialarebrieflyintroduced.Takingasealingboxasanexample,thispaperexplicatesthequantitativecalculatingmethodofequipmentsealingperformancebyAnsys.ThemodelisanalyzedbyAnsysandthedangeroussectionisdetermined.Thedangeroussectionoftherubberisanalyzedindetail.Analysisresultsshowthedesignisfeasible.Experimentalresultsprovetheanalysismethodisfeasibleandeffective.电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081AbstractSealingisimportantforequipment.Impropersealingdesigncouldresultinsealingfailandevenpermanentdistortionofrubber.Therubbersealingprinciple,stress-strainrelationandtheapplicationofAnsysinrubberdistortionisresearchedinthispapertoguidesealingdesign.Thispaperalsoexpoundstherubbersealingprincipleandtheinfluenceofdifferentcompressivedeformationtosealingandputsforwardthecalculationformulaonstress-strain.ThebasicflowchartofAnsysandthemodelofhyperelasticmaterialarebrieflyintroduced.Takingasealingboxasanexample,thispaperexplicatesthequantitativecalculatingmethodofequipmentsealingperformancebyAnsys.ThemodelisanalyzedbyAnsysandthedangeroussectionisdetermined.Thedangeroussectionoftherubberisanalyzedindetail.Analysisresultsshowthedesignisfeasible.Experimentalresultsprovetheanalysismethodisfeasibleandeffective.KeywordsAnsys;rubbersealing;stress-strainrelation;contactpressure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]：之间存在如下关系：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2.1分析流程：定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立模型。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]。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、等温和弹等等[5]。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、teyRivlinMooneyRivlinOgdenYeoh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：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=200mm×110mm×34mm，密封形式采用垫片密封，密式为平沟槽密封面。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，计时主要考虑盖板与盒体缝隙的密封。考虑到防腐蚀性，盒体和盖板均采用所示。BmmH0=3mm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，高度为H1=2.1mm宽度为B1=5.715mm，则盒体上固定密bmmhmm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=0.74MPa。若橡胶垫压缩前后体积假设形状仍为矩形，可计算变形后支撑面面积，进一步得出将橡胶垫压缩到M受的取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MooneyEGPa=0.4995,C10=2.5MPa,C01=1.1MPa,D=0[10]。定义盖板螺钉孔为固定，盒体底面向位移和应变。分析结果如图3所示。变形处橡胶垫的压缩量: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，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，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，【相关文献】[1]顾彦博.地面侦察情报设备的防水密封设计[J].无线电通信技术，2001，27(5)：60-61.[2]生建友.电子设备密封设计[J].电子工业专用设备，2004(4)：46-50.[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[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]．