基于Abaqus的橡胶密封垫对比分析

摘要： 针对某型发动机开发中的橡胶密封垫密封问题，利用有限元分析软件Abaqus建立橡胶垫及其边界的有限元模型，讨论不同条件下密封垫的力学性能.为橡胶密封结构的设计计算提供一条新途径.

关键词： 橡胶； 密封； 有限元； Abaqus

中图分类号： U464.132； TB115.1文献标志码： B

引言

橡胶密封件的失效主要表现为密封处的泄漏和密封件的损坏，最终导致失去密封性，产生泄漏.橡胶密封件泄漏的原因主要包括初始压缩量过小、密封表面质量差以及衬料选择和安装不当等.

橡胶密封的原理是依据安装时密封件产生一定的压缩变形，使密封件与密封面紧密贴合，达到堵塞泄漏的目的.如果初始密封量过小，在低压时就会产生泄漏.一般，密封结构的装配关系和几何形状比较复杂，其中，橡胶密封元件具有非线性本构关系，会导致结构受力变得复杂，承载后出现大位移和大应变.因此，传统的设计方法在试验前不能预先对密封结构的性能进行评价，只能依赖于设计者的经验，不能满足现代精确设计的要求.

本文针对某型发动机开发中的橡胶密封垫密封问题，利用有限元分析软件Abaqus建立橡胶垫及其边界的有限元模型，讨论不同条件下密封垫的力学性能，为橡胶密封结构的设计计算提供一条新途径.

1Abaqus非线性超弹性模型

随着社会的发展和科技的进步，CAE已经历50多年的发展，其理论和算法都已日趋成熟，现已成为工程和产品结构分析中不可或缺的重要工具.Abaqus具有强大的非线性分析能力，可以解决从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题.

1.1超弹性材料的本构方程

确定弹性体材料的非线性特性非常困难，超弹性材料的模拟运用的是基于应变能密度的本构理论.这些本构方程主要有2类：第一类认为应变能密度是主应变不变量的一个多项式函数，当材料不可压缩时，该材料模型通常被称为Rivlin 材料，如果仅仅一次项被采用，那么模型被称为MooneyRivlin材料.第二类认为应变能密度是3个主伸长率的独立函数，如Ogden，Peng和PengLandel材料模型.[1]

1.2两参数的MooneyRivlin模型常数的确定

1.2.1利用橡胶的硬度

对于橡胶材料，在小应变时弹性模量E0，剪切模量G，材料常数C1和C2的关系为G=E03=2（C1+C2） （6）根据橡胶硬度HA与弹性模量E0的试验数据，拟合得到二者之间的关系式为E0=15.75+2.15HA100-HA （7）记录硬度计读数HA，就可将其转化为弹性模量，再根据公式，只要确定C2/C1的比值，就可以得到C1和C2.

1.2.2利用经验公式

如果分析人员仅有一个C01值，并想在模型中包含一个非零的C10，则可假定C01=0.25C10，由式（5）可得E=6（C10+0.25C01） （8）

C10=E6×1.25 （9）2有限元模型和分析方法

某型发动机开发中，凸轮轴座去掉一部分材料后，橡胶密封垫变为单根筋密封，需评估凸轮轴位置传感器位置密封圈是否存在密封失效风险，同时对比2根筋都起密封作用时的情况.发动机模型见图1.

图 1发动机模型

由于密封垫和缸盖罩的沟槽在结构上是轴对称的，在理想状况下，密封垫沿轴线方向上的载荷也是轴对称的.[2]因此，可以将此处的密封垫密封研究由三维简化为二维问题.缸盖罩、密封垫和凸轮轴座的几何截面模型见图2.

图 2截面几何模型

选用的橡胶密封垫材料为丙烯酸酯橡胶，硬度（邵尔A型）为65.通过式（7）得到弹性模量E0，再根据经验公式，得C01=0.110 691，C10=0.427 63.缸盖罩与凸轮轴座为解析刚体模型，无需划分网格；密封垫为可变形体，网格划分情况见图3.边界条件为对凸轮轴设置固定约束，限制其各个方向的平动和转动自由度.[3]对缸盖罩施加向下1.8 mm的位移.密封垫与缸盖罩及凸轮轴座定义有限滑移（finite sliding）接触关系，摩擦类型为库伦摩擦，摩擦因数为0.11.（a）单根筋密封（b）2根筋密封

图 3有限元模型

3计算结果和分析

压应力结果见图4，可知，单根筋与2根筋密封时，上、下接触面的接触应力均大于1 MPa，密封垫能很好地保证密封效果.接触压力的大小反应密封垫的密封能力，保证密封的必要条件是最大接触压力大于或等于油压.（a）单根筋密封（b）2根筋密封

图 4压应力结果， MPa

von Mises应力结果见图5，可知，单根筋密封的最大von Mises应力为2.16 MPa，而2根筋密封的von Mises应力为0.92 MPa.这是由于单根筋时，密封垫与凸轮轴接触会有一定的倾斜所致.最大von Mises应力反应截面上各主应力差值的大小，一般，von Mises应力越大，将越加速橡胶材料的松弛，造成刚度下降，材料越容易出现裂纹.压缩率过大会出现应力松弛.在静密封时，油封介质为油/空气，压缩率在15%～25%为佳.因此，如图6所示，单根筋密封的最大应变为49.37%，有出现应力松弛的危险.（a）单根筋密封（b）2根筋密封图 5von Mises应力结果， MPa

（a）单根筋密封（b）2根筋密封图 6应变结果

4结束语

凸轮轴座去掉一部分材料后，虽然密封垫只有一根筋产生密封作用，但是能很好地保证密封效果.由于其接触时有一定的倾斜，会产生较大的von Mises应力和过大的压缩率，加速橡胶的松弛，造成刚度下降，在后续设计中应修改橡胶垫的结构.

相较于传统的设计方法，运用Abaqus能有效预测橡胶密封垫的载荷分布，能更直观、定量地了解橡胶密封垫在工作时的应力应变状态，减少试验费用，缩短产品的设计周期，是橡胶密封设计和优化的理想工具.参考文献：

[1]王伟， 邓涛， 赵树高. 橡胶MooneyRivlin模型中材料常数的确定[J]. 特种橡胶制品， 2004（8）： 810.

[2]尚付成， 饶建华， 沈钦凤， 等. 超高液压下O形橡胶密封圈的有限元分析[J]. 液压与气动， 2010（1）： 6769.

[3]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实力讲解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.