Ansys軟件在設(shè)備密封性仿真中的應(yīng)用新文;高馳名備密封失效、橡膠墊永久變形等問題，研究了橡膠密封原理、應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，并利用Ansys分析橡膠墊變形，指導(dǎo)設(shè)備密封設(shè)計。闡述了橡膠墊片密封及不同壓縮量對密封性能的影響，給出了橡膠應(yīng)力—應(yīng)變計算公式，簡單介紹了Ansys分析流程和常用的超彈性材料模型，以密封盒密封設(shè)計為例，說明如何應(yīng)用Ansys對設(shè)備密封性能做定量計算。用Ansys對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，找的危險截面，對危險截面滲透壓進(jìn)行詳細(xì)地分析，仿真計算結(jié)果表明該方案可行。%Sealingisimportantforequipment.Impropersealingdesigncouldresultinsealingfailandevenpermanentdistortionofrubber.Therubbersealingprinciple,stressstrainrelationandtheapplicationofAnsysinrubberdistortionisresearchedinthispapertoguidesealingdesign.Thispaperalsoexpoundstherubbersealingprincipleandtheinfluenceofdifferentcompressivedeformationtosealingandputsforwardthecalculationformulaonstress-strain.ThebasicflowchartofAnsysandthemodelofhyperelasticmaterialarebrieflyintroduced.Takingasealingboxasanexample,thispaperexplicatesthequantitativecalculatingmethodofequipmentsealingperformancebyAnsys.ThemodelisanalyzedbyAnsysandthedangeroussectionisdetermined.Thedangeroussectionoftherubberisanalyzedindetail.Analysisresultsshowthedesignisfeasible.Experimentalresultsprovetheanalysismethodisfeasibleandeffective.電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081AbstractSealingisimportantforequipment.Impropersealingdesigncouldresultinsealingfailandevenpermanentdistortionofrubber.Therubbersealingprinciple,stress-strainrelationandtheapplicationofAnsysinrubberdistortionisresearchedinthispapertoguidesealingdesign.Thispaperalsoexpoundstherubbersealingprincipleandtheinfluenceofdifferentcompressivedeformationtosealingandputsforwardthecalculationformulaonstress-strain.ThebasicflowchartofAnsysandthemodelofhyperelasticmaterialarebrieflyintroduced.Takingasealingboxasanexample,thispaperexplicatesthequantitativecalculatingmethodofequipmentsealingperformancebyAnsys.ThemodelisanalyzedbyAnsysandthedangeroussectionisdetermined.Thedangeroussectionoftherubberisanalyzedindetail.Analysisresultsshowthedesignisfeasible.Experimentalresultsprovetheanalysismethodisfeasibleandeffective.KeywordsAnsys;rubbersealing;stress-strainrelation;contactpressure的形式來實現(xiàn)，而墊片材質(zhì)的選擇、密封溝槽的設(shè)計及墊片的安裝是墊片密封設(shè)計的關(guān)鍵[1]。密封設(shè)備，當(dāng)密與結(jié)構(gòu)間的接觸壓力大于外部水壓時，才不會發(fā)生滲漏，傳統(tǒng)密封設(shè)計一般僅利用Ansys軟件對設(shè)備的密封性進(jìn)行仿真分析，能真實、直觀地展現(xiàn)橡膠、壓板等結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變，顯示各處的接觸壓力、流體滲透壓力等。在Ansys軟件分析的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)備密封設(shè)計仿真分析方法，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計密封是否有密封電子設(shè)備結(jié)構(gòu)一般可分為框架和蓋板(底板、面板)2部分，框架與蓋板之間常用墊片密封。設(shè)備的密封性能主要取決于密封面形式和墊片[1]。橡膠墊片具有滲透，當(dāng)壓力F繼續(xù)增大，相對變形量ε取值范圍在20%~30%時，由于橡膠墊性及變形作用，橡膠墊緊貼裝配面，水分子無法滲透，從而形成密封。如果進(jìn)而加速橡膠損壞甚至破裂，影響密封效果。因此，在密封設(shè)計中，橡膠的相對變形量ε一般在20%~30%范圍內(nèi)取值為宜。設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意的是，橡膠的變形所加的壓力有關(guān)，與溫度、變形程度、受壓時間以及材料本身的邵氏硬度等多因素有關(guān)，所以其變形與應(yīng)力并非直線關(guān)系[2]。1.2橡膠墊片的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系橡膠為超彈體，在計算中，一般假設(shè)橡膠不可壓縮，泊松比μ≈0.5，變形前后截橡膠的彈性模量不是固定值，即橡膠的應(yīng)力與應(yīng)變是非線性關(guān)系，一般通過試驗來測定應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。而在實際計算中，可以將橡膠的彈性模量視為在實際計算中，對于單向變形一般采用巴爾涅夫-哈扎諾維奇方程來計算應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系[3-4]：之間存在如下關(guān)系：橡膠墊的材料、形狀以及安裝形式確定后，可由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)得出法是解決工程和數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值方法，也稱為有限單元法，基本思想解區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式互相連接在一起的單元的組合體。有實質(zhì)是把具有有限個自由度的連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集2.1分析流程：定義單元類型、定義單元實常數(shù)、定義材料特性、建立模型。建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成物理模型，對實際問題進(jìn)行模求解的主要工作有：定義分析類型相分析選項、施加載荷和約束、指定載荷步主要工作有：從求解結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)、對計算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示、可對計算結(jié)果進(jìn)行列表顯示和進(jìn)行各種后續(xù)分析[6]。超彈材料模型Ansys中關(guān)于超彈性本構(gòu)模型有一些關(guān)鍵假設(shè)：材料相應(yīng)的各項同性、等溫和彈等等[5]。系的本構(gòu)模型。現(xiàn)在較為成熟的本構(gòu)模型有2類:一類是基于熱力學(xué)統(tǒng)計的方法，如Neo-Hookean、teyRivlinMooneyRivlinOgdenYeoh對于橡膠的應(yīng)力應(yīng)變分析一般采用2階的Mooney-Rivlin模型，其表達(dá)式為：參數(shù)常量一般通過超彈材料試驗數(shù)據(jù)擬合，即采用試驗獲得有關(guān)材料在壓一種密封盒安裝在戶外，要求結(jié)構(gòu)防護(hù)等級為浸水型機(jī)殼。根據(jù)要求設(shè)計其結(jié)構(gòu)，外形尺寸為長×寬×高=200mm×110mm×34mm，密封形式采用墊片密封，密式為平溝槽密封面。結(jié)構(gòu)主要由蓋板、盒體和密封墊組成，盒體側(cè)面裝有連接器，連接器與盒體的縫隙采用O型圈密封，由連接器廠家保證連接器的密封性，計時主要考慮蓋板與盒體縫隙的密封。考慮到防腐蝕性，盒體和蓋板均采用所示。BmmH0=3mm的硅橡膠板，選擇壓縮量ε=30%。硅橡膠是超彈體，假設(shè)壓縮前后硅橡膠體積不變，壓縮后仍然為矩形，高度為H1=2.1mm寬度為B1=5.715mm，則盒體上固定密bmmhmm考慮到密封盒的尺寸，選擇M3螺釘緊固蓋板，根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)和式(4)計算橡膠墊在壓縮量ε=30%時的應(yīng)力為：σ=0.74MPa。若橡膠墊壓縮前后體積假設(shè)形狀仍為矩形，可計算變形后支撐面面積，進(jìn)一步得出將橡膠墊壓縮到M受的取n=10。螺釘布局見圖2。蓋板緊固后，密封墊的彈力會造成蓋板變形，導(dǎo)致變墊的壓縮量無法達(dá)到設(shè)計的要求，這可能造成密封盒發(fā)生滲漏，因此需進(jìn)行仿真分析，計算出蓋板變形的最大位移位置，以及變形量，并以此在Ansys中建立新的分析，賦予算例中各零件材料參數(shù)。蓋板和盒體采用鋁合金MooneyEGPa=0.4995,C10=2.5MPa,C01=1.1MPa,D=0[10]。定義蓋板螺釘孔為固定，盒體底面向位移和應(yīng)變。分析結(jié)果如圖3所示。變形處橡膠墊的壓縮量:密封墊壓縮量最小，密封墊與結(jié)構(gòu)件之間的接觸壓力也最小，因此選析在Ansys中建立新的分析，建立橡膠條平面應(yīng)變受壓模型，橡膠材料參數(shù)與上節(jié)要分析橡膠墊受壓后的變形情況、接觸壓力以及流體滲透壓，因此將其他結(jié)構(gòu)件視為剛性。接觸類型為標(biāo)準(zhǔn)接觸，摩擦系數(shù)0.1。定義盒體底面為固定，大于水壓力，則不會發(fā)生滲漏；反之，橡膠墊與結(jié)構(gòu)件之間的接觸壓小于水壓力，則發(fā)生滲漏。橡膠墊與結(jié)構(gòu)件之間的接觸壓力如圖4所示，水的封墊無法回彈、蓋板變形和密封墊壓縮量小等現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密封失效。利用Ansys有限元仿真軟件，對橡膠墊進(jìn)行分析，應(yīng)力，進(jìn)而計算該壓縮量下的結(jié)構(gòu)件尺寸、螺釘數(shù)量和布局等，使得到定量計算，提高結(jié)構(gòu)密封的可靠性，值得在結(jié)構(gòu)密封設(shè)計中推廣與應(yīng)用。設(shè)計師應(yīng)積極掌握并運用仿真軟件輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計，它能幫助查找結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]顧彥博.地面?zhèn)刹烨閳笤O(shè)備的防水密封設(shè)計[J].無線電通信技術(shù)，2001，27(5)：60-61.[2]生建友.電子設(shè)備密封設(shè)計[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004(4)：46-50.[3]周到，史敏，王磊，等.空氣源熱泵熱水機(jī)組壓縮機(jī)矩形橡膠圈的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)[4]特雷勞爾.橡膠彈性物理學(xué)[M]．王夢蛟,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1982.[5][日]戶原春彥.防振橡膠及其應(yīng)用[M].牟傳文，譯．北京:中國鐵道出版社,1982:293-295.[6]張洪才.ANSYS14.0理論解析與工應(yīng)用實例[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.[7]陳志，高鈺，董蓉，等．機(jī)械密封橡膠O形圈密封性能的有限元分析[J]．