基于Ansys的橡胶O形密封圈的密封性能有限元分析
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（３）
式中 ：△ｕ＿Ａ为橡胶密封圈上的一点 Ａ 的增量位移
表 １ 不 同油 压 、不 同径 向间 隙 条 件 下 最 大 Ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应 力 的 数 值 Ｎ Ｎ ／ＭＰａ
向量 ；，ｚ为密封刚体的单位法 向向量 ；Ｈ 为接触距
离 容 限 。
若 满足 式 （３），则认 为 Ａ点 与 刚体 接 触 上 了 。
接 触 问题属 于带 约 束 条 件 的 泛 函极 值 问题 ，最 常 用 的方 法有 Ｌａｇｒａｎｇｅ乘 子法 、罚 函数 法 以及 基 于 求 解器 的直 接 约 束 法 。本 文 采用 罚 单 元 法 ，在 对 模 型进行 完 网格 划 分 后 ，在 ２个 可 能接 触 的界 面 上 的节 点之 间建 立接 触单 元 ，来 求解 Ｏ 形密 封 圈 与 刚体 间 的接触 问题 ］。
弹 性 体
第 ２Ｏ卷
Ｒｉｖｌｉｎ系数 ； ｚ为 第一 、第二 应变 张量 不变 量 。 裂纹 。而接触压力 的大 小反 应 了 Ｏ形 圈 的密封 能
应 力应 变关 系 即为 ： ａ＝ＯＷ ／Ｏｅ
力 ，ｏ形 圈保证 密封 的必要 条件是最 大接触 压力 大 （２） 于或 等于油 压 。所 以这 里 主要 利用 Ａｎｓｙｓ软 件分
摘 要 ：利 用有 限元分析软件 Ａｎｓｙｓ，建 立 了橡胶 ０形 圈及其 边界 的有 限元模 型，分析 计算 了不 同 的 ０ 形 密封 圈径 向 间 隙 以及 不 同 的 油压 下 对 密 封 面 最 大接 触 压 力 和 Ｖｏｎ Ｍ ｉｓｅｓ应 力 的 影 响 ，以及 它 们 之 间 的相 互 关 系 ，为 ０ 型 密封 圈 的合 理 安 装 和 使 用提 供 了理 论依 据 。
（２）不 同油 压 、不 同径 向间 隙条 件 下 ，最 大接 触压 力 的数值 如 表 ２所 示 。
表 ２ 不 同油 压 、不 同径 向 间 隙 条 件下 最 大 接 触 压 力 的 数 值
油压／ＭＰａ
实 际应 用 时 由于 常数 测 量 困难 ，而 仅 取 部 分 析 了在不 同径 向 间隙 和 不 同 油压 条 件 下 ，橡 胶 ０
项 作近 似 计算 。本 文使 用 的 Ｃ 、Ｃ２分 别 为 １．８７ 形密封 圈 的变形 情 况及 Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应 力分 布 和最
和 ０．４７。
大接触压 力［６］。主要分 以下几种 隋况讨论 ：
１．１ 物 理模 型
首先 做 如下 几 点假设 ：
（１）Ｏ 形 密封 圈材 料 具 有确 定 的弹 性模 量 Ｅ
和泊 松 比 ；
（２）Ｏ形 密 封 圈材料 拉 伸 与压 缩 的蠕 变 性 质
相 同 ；
（３）Ｏ形 密 封 圈受 到 的纵 向压 缩 视 为 由约束
边 界 的指定 位 移 引起 的 ； （４）蠕变不引起体积变化 。
研 究 ·开 发
弹性体Ｃ，Ｈ２０ＩＮ１０Ａ—０ ６－Ｅ２Ｌ５Ａ，２Ｓ０ｒ（３０）Ｍ：４Ｅ９Ｒ￣ＩＣ５Ｓ２
基 于 Ａｎｓｙｓ的橡 胶 Ｏ 形 密 封 圈 的 密 封 性 能 有 限 元 分 析
杨春 明 ，谢 禹钧
（辽 宁 石 油 化 工 大 学 机 械学 院 ，辽 宁 抚 顺 １１３００１）
关 键 词 ：０ 形 密封 圈 ；Ａｎｓｙｓ；接 触 压 力 ；有 限 元 中 图分 类 号 ：ＴＱ ３３６ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００５—３１７４（２０１０）０３—００４９—０４
Ｏ 形橡 胶密 封 圈具有 结 构紧凑 、制 造 简单 、拆 装 方 便 、成 本 低 廉 等 特 点 ，因此 被 广 泛 应 用 于 汽 车 、动 力 、机 械 及 石 油 化 工 等 领 域 。 目前 对 ０ 形 密 封 圈密封 结构 的设 计 、Ｏ形 密封 圈 的选 择 和 安 装 等均 是按 照传 统经 验进 行 。本文 主 要利 用有 限 元 分析 软件 Ａｎｓｙｓ对 。 形 圈进行 建模 和计 算 ，分 析 了 Ｏ形 密 封 圈 缸 筒 和 轴 套 的 间隙 对 密 封 结 构 中密封 面最 大接 触压 力和 剪切 应力 的影 响 。
对 于橡 胶类 物 理非 线性 材料 ，一 般采 用穆 尼 一 瑞林（Ｍｏｏｎｅｙ－Ｒｉｖｌｉｎ）模 型来 描述 。其 函数表达
式 为［ ：
Ｗ — Ｃ１（Ｊｌ一 ３ 能 密 度 ；Ｃｌ、Ｃ２为 材 料 Ｍｏｏｎｅｙ－
· ５０ ·
对称 模 型来模 拟 三 维 结 构 ，利用 Ａｎｓｙｓ中的 扩展 命 令 可 以观察 到 三维模 型 的变 化情 况 。计算 模 型 如 图 １和 图 ２所 示 （艿为 Ｏ 形 密封 圈变 形 后缸 筒 与轴 套 的间 隙）。
１ 计 算 模 型 的 建 立
对 密封 圈进 行有 限元 分 析 时 ，鉴 于其 边 界 条 件 的复杂 性 ，故 将 密封 圈及 密封 结构 的轴 、孔 作 为 整体 进行 分析 。根 据密 封结 构 的几何 形 状 、材料 、 边界 条件 的特 点 和 Ａｎｓｙｓ的功 能 ，ｏ形 橡 胶 密封 圈 的模型 可简 化为 平面 轴对 称模 型 。通 过平 面轴
图 １ Ｏ 形 密 封 圈变 形 前 数 学 模 型 收 稿 日期 ：２０１０—０３—２１
作者简 介 ：杨 春 明（１９８５一），男 ，吉林 四平人 ，在 读硕 士研 究生 ，研究方 向为石化设备 的安全评 价 、结构完 整性及 灾 害预防 。 ＊通 讯 联 系 人
图 ２ Ｏ形 密封 圈 变形 后 计 算 模 型
１．２ 接 触 问题 的有 限元分 析
（１）在 不 同油压 、不 同径 向间 隙条 件 下 ，最 大
接 触 问题通 常用 产生 接触 的 ２个 物体 必须 满 Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应 力 的数 值 如表 １所示 。
足 无穿 透约 束条 件 ，即 由式 （３）来 描述 ［３］：
△ＵＡ竹≤ Ｈ
