基于APDL语言的O形密封圈数值模拟分析

肖超 邵腾 丛日平

摘  要：为了快速分析O形密封圈在预压缩过程中的密封性能，基于APDL语言，建立其有限元模型并进行数值模拟分析，得到O形密封圈的变形情况、力学性能和密封性能，为类似密封圈的设计和应用提供了理论依据。

关键词：O形圈;密封;APDL

中图分类号：TP391.7：U469.3   文献标识码：A

引言

O形密封圈由于其结构简单、生产成本低廉、安装拆卸方便、密封性能良好等特点而被广泛使用，如活塞缸、往复式液压马达[1-2]。随着计算机科学技术应用领域的不断拓展，数值模拟技术在油液密封领域中得到了迅猛发展，诸多学者对不同工况条件下密封圈的密封性能进行了研究[3-4]。

分析发现，现有研究多数是侧重于密封圈密封性能的仿真研究。而在方案设计前期，如何能够快速获得不同方案的密封特性并进行方案择优则成为难点。

为此，本文基于ADPL语言分析方法，建立O形密封圈有限元模型并进行数值模拟分析，得到其变形情况、力学性能和密封性能。通过与文献4的仿真结果进行对比分析，验证了该方法的可行性，对类似的密封仿真研究具有一定的理论指导意义。

1基于APDL语言的参数化建模流程

参数化设计语言APDL（Parametric Design Language）使研發人员对密封圈选型及沟槽设计具有绝对控制权，通过修改尺寸、材料、载荷等参数，可以快速实现不同系列产品的密封性能分析、结构优化设计等[4]，具体分析步骤如图1所示。

2 O形密封圈参数化建模

2.1 几何结构

如图2所示为密封圈及沟槽截面结构，为便于与文献4中的结果进行对比分析，O形密封圈直径为7mm，密封槽尺寸为9.7 mm×5.72 mm[4]。

由于活塞和活塞杆的刚度远大于O形密封圈的刚度，为此，将活塞和活塞杆简化为线，建立几何模型。

用APDL表达为：

t1=9.7 ！O圈槽宽

r0=7/2   ！O圈半径

r1=150/2 ！活塞内径

r2=150/2+5.72 ！活塞外径

r3=r1+2*r0   ！活塞杆内径

b=5

ra=0.1 ！槽口半径

rb=1 ！槽底半径

k，1，r2-t，0 ！定义点A的位置

k，2， r2-t，b ！定义点B的位置

k，3，r1，b ！定义点C的位置

k，4，r1，b+t1 ！定义点D的位置

k，5，r2-t， b+t1 ！定义点E的位置

k，6，r2-t，2*b+t1 ！定义点F的位置

k，7，r1+r0，b+t1-r0 ！定义O圈圆心的位置

k，8，r3，0 ！定义点G的位置

k，9，r3， 2*b+t1 ！定义点H的位置

l，1，2

l，2，3

l，3，4

l，4，5

l，5，6

cyl4， r1+r0，b+t1-r0，r0 ！绘制O形截面

lfillt，1，2，ra ！创建倒圆角

lfillt，4，5，ra

lfillt，2，3，rb

lfillt，3，4，rb

2.2材料参数

O形密封圈为多数为橡胶材料，属于超弹性材料，选用Mooney-Rivlin模型描述橡胶的力学性能[3]，其函数表达式为：

其中，W为应变能;C10和C01为材料定常数;I1和I2分别为第一、第二应变常数。

分析中密封圈选择丁腈橡胶，其泊松比为0.499，C10和C01分别取1.87MPa、0.47 MPa。

用APDL表达为：

c10=1.87

c01=0.47

nu1=0.499

dd= （1-2*nu1）/（c10+c01）

tb，hyper，1，1，2，mooney

tbdata，1，c10，c01，dd ！定义Mooney-Rivlin模型参数

2.3 划分网格

采用TARGE169单元和CONTA171单元描述接触状态，分别建立密封圈与活塞、活塞杆的接触对，设定初始摩擦因数为0.2，设置O形密封圈网格尺寸为0.3mm并细化接触对之间的网格，其模型如图3所示。

2.4 载荷及边界条件

模拟O形密封圈在10%预压缩率下的密封性。采用相对位移法施加预紧力，即约束活塞杆Y向位移，X向位移0.7mm（模拟O形圈初始压缩量），约束活塞X向与Y向位移。

用APDL表达为：

lsel，s，，，1，5

lsel，a，，，11，14

nsll，s，1

cp，1，ux，all

cp，1，uy，all

d，all，uy，0

d，all，ux，0

lsel，s，，，10

nsll，s，1

cp，2，ux，all

cp，2，uy，all

d，all，uy，0

lsel，s，，，10

nsll，s，1

d，all，ux，-0.1*r0*2

3结果分析

3.1 计算仿真结果

当初始压缩量为10%时，密封圈截面等效应力云图如图4所示。密封圈最大等效应力为2.10MPa。

图5为密封圈的接触压力云图，O形圈与活塞杆密封面的最大接触压力为3.13MPa。

用APDL表达为：

！结果输出

/post1

asel，all

esla，s

plnsol，s，eqv ！绘制密封圈等效应力云图

allsel.all

plnsol，cont，pres ！ 绘制密封圈接触应力云图

3.2 仿真结果验证

将O形密封圈等效应力、接触压力结果与文献4中的结果[4]（图6、图7）对比分析可知，基于APDL语言得到的虚拟样机仿真结果误差在工程允许范围内，证明了该方法求解结果的正确性。

3.3 系列O形密封圈求解

通过修改第2节中的输入参数，可以快速获得不同结构尺寸、不用压缩率情况下的O形密封圈仿真结果，这里不再一一尝试。

4  结语

本文基于APDL语言建立了O形密封圈的参数化模型并进行了密封仿真，通过与理论结果的对比分析，证明了该方法的正确性，从而为用户摆脱繁琐的理论计算，直观、快速地获得O形密封圈密封效果提供了一种新思路。

参考文献：

[1]汝绍峰，刘延娇.O形和Y型密封圈预压缩密封性能分析[J]，中国工程机械学报，2019，17（5）：466 - 470.

[2]曹赞.基于有限元的O形密封圈密封性能分析[J]，CAD/CAM与制造业信息化，2014（8）：46-48.

[3]姚春峰，李萌，高立超，等.O形密封圈的有限元分析[J]，机械制造，2019， 47（5）：64-68.

[4]王东辉，戈嗣诚，王立武，等.柔性舱O 型密封圈密封性能分析[J]，航天返回与遥感，2021， 42（1）：48-56.

作者简介：

肖超（1990-），女，山西长治人，工程师，硕士，主要从事机械设备结构设计工作。