O型橡胶密封圈动密封应力分布数值模拟研究

张心怡,贾均红,高飒飒,李洪春,李东升,杨晓东

(1. 陕西科技大学 机电工程学院,西安 710021;2. 西安航天动力研究所 陕西省特种密封技术工程研究中心,西安 710100)

O型橡胶密封圈因其结构简单,工作可靠,密封性能良好,可作往复运动和低速旋转运动,广泛应用于航空航天密封机构中。由于O型橡胶密封圈的实际使用工况较为复杂,极易出现密封失效的情况,将直接影响机构系统的正常运行。如1986 年美国“挑战者”号,由于橡胶 O 型密封圈失效导致燃气泄漏造成航天飞机爆炸。2007年美国“奋进号”航天飞机由于船舱密封结构泄漏问题导致无法正常发射[1]。因此,橡胶密封件密封性能的预测对设备的运行至关重要。为探究橡胶密封圈在往复运动中的密封性能,孙冬花等[2]通常采用实验的方法,不仅效率低、成本高,特别是针对复杂的边界条件,无法给出密封结构精确的性能参数。因此,采用数值仿真方法研究O型橡胶密封圈在不同工况下的变形及应力分布情况,对其失效情况的预判并及时调整密封参数具有重要意义。

近年来,国内外学者对O型橡胶密封圈开展了一系列分析研究。冯智猛等[3]提出一种真空用O型橡胶密封圈设计计算方法。冷献春等[4]运用ANSYS对 O 型密封圈密封结构的系列离散参数进行了仿真分析和设计验证,并针对某天线罩的O型密封圈密封结构进行了设计。杨喜军等[5]根据固体火箭发动机硅橡胶密封圈材料的加速老化试验数据,采用逐次逼近以及数据拟合方法,获得硅橡胶老化反应速率以及老化性能随贮存时间的变化规律。张力伟等[6]为了解决O型密封圈的贮存寿命预测问题,提出将氧化诱导期(OIT)作为性能变化指标来推算三元乙丙橡胶O型密封圈的贮存寿命。王恒等[7]利用有限元软件 ANSYS 对固体火箭发动机的 O 形橡胶密封圈进行了有限元仿真分析,探讨了不同工作压力下 O 形密封圈和挡圈结构的Von Mises应力分布,结果表明应力峰值集中于密封圈与挡圈接触区域。郭建伟等[8]建立了橡胶O形密封圈的ANSYS超弹性非线性有限元模型,确定了导致高压下密封圈间隙咬伤的密封失效准则和失效判据。王东辉等[9]针对柔性密封舱在太空环境中存在的密封问题,提出了一种柔性舱O型密封结构,利用ANASYS软件分析了预装时压缩率的变化对其密封性能的影响,研究表明随着预压缩率及柔性舱内压增加,最大接触应力与 Von Mises 应力都随之增大。乐泽锌等[10]利用 ANSYS 有限元分析软件模拟了不同环境压力对 O 型密封圈密封性能的影响,证明了外界压力越大,O型密封圈的接触应力越大。张镇国等[11]研究了固体火箭发动机中往复式密封圈组合结构中活塞在不同的运动速率下的最大应力值的变化规律。Kömmling等[12]分别对O型橡胶圈在压缩和未压缩状态下于不同温度下进行了老化5年的试验,对密封性能进行预测,但在密封圈实际使用中,影响其性能的因素是随机分布的,因此Liang等[13]提出了一种基于可靠性的方法来分析橡胶材料参数的随机性对O形密封圈密封性能的影响,结果表明材料和几何参数对橡胶O形圈的可靠性影响较大。Liu等[14]对密封结构的失效模式和失效判据进行了研究,找出了其失效机理,并进行应力分布的分析,建立了老化状态与密封条件之间的关系。潘帅等[15]对橡胶密封圈的失效形式及其预防进行了简单论述。上述研究均对橡胶密封圈的密封性能进行了探讨,多数局限于单因素对O型橡胶密封圈密封性能的影响,而在动密封条件下,特别是在预装过程和往复运动中,影响O型密封圈动密封性能的因素很多,如密封圈橡胶材料的硬度、摩擦力、预装压缩率、介质压力等,这些因素对O型橡胶密封圈密封性能的影响尚缺乏系统的研究。

本文借助ABAQUS有限元软件,建立O型橡胶密封圈的二维轴对称模型,通过对比3种不同橡胶材料(三元乙丙橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶)密封圈的最大Von Mises应力和接触应力,选择其中密封性能较好的材料进一步系统探究往复运动密封条件下不同预装压缩率、摩擦因数、介质压力等对密封圈的最大Von Mises应力(衡量O型橡胶密封圈的破损失效和疲劳失效)和最大接触应力(衡量密封结构的密封性能)的影响,进一步为橡胶密封件的密封失效提供数据判据,本研究可为实际服役条件下O型橡胶密封圈材料选择及往复运动下动密封的参数调控提供理论依据和数据指导。

1 橡胶密封圈动密封结构

本文中橡胶密封圈的密封形式属于动密封,是发生相对运动的缸套和活塞两个密封件之间的一种密封形式,如图1所示,密封圈受到活塞和缸套的相互挤压后发生变形达到密封效果。

图1 密封结构示意图Fig.1 Diagram of seal structure

O型橡胶密封圈应用于航空发动机中,在实际工作中会受到流体介质的作用而影响密封性能,其密封效果会受到压缩率、介质压力及橡胶材料的硬度和摩擦因数等因素的影响。因此,在实际密封结构中,应根据不同的工况条件,充分考虑各种因素对密封效果的影响,保证密封的可靠性与设备安全运转。

2 有限元分析模型

橡胶材料属于超弹性非线性材料,对O型橡胶密封圈的密封性能进行有限元分析时,为保证分析结果的准确性,需要采用合适的本构模型来准确描述材料的力学行为,从而建立有限元模型进行数值模拟。

2.1 橡胶材料的本构模型

Mooney-Rivlin模型[16]可以较为精确的描述橡胶材料的超弹性特性,为了表征橡胶材料的非线性行为,本文采用Mooney-Rivlin模型,其简化后的函数表达式为

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中:W为应变能密度;I1和I2为第一、第二应变张量;C10和C01为材料的 Mooney-Rivlin系数。

橡胶材料的Mooney-Rivlin系数C10和C01直接影响着O型橡胶密封圈的应力分布,其值是通过橡胶试样进行单轴拉伸实验[17-18],并在ABAQUS中进行曲线拟合来获取的。本文中得到不同硬度下橡胶材料的C10和C01值如表1所示。

表1 不同材料橡胶的C10和C01的值Tab.1 C10 and C01 values for rubber of different materials

2.2 密封结构的有限元模型

利用ABAQUS有限元分析软件建立O型橡胶密封圈的二维轴对称有限元模型,基本假设为:

1) 缸套和活塞试样的弹性模量是橡胶的几万倍,可视缸套和活塞试样为刚体结构。

2) O型橡胶密封圈材料视为不可压缩材料。

3) 橡胶密封圈密封结构按照轴对称问题处理。

本文将在ABAQUS有限元软件中分别建立O型橡胶密封圈、活塞试样以及缸套的二维轴对称有限元模型。如图2所示,选择常规应用广泛的O型橡胶密封圈的尺寸参数为∅7.5 mm×3.55 mm。在往复运动过程中,我们规定O型橡胶密封结构的工作行程为活塞的左向运动,储能行程为活塞的右向运动。

图2 O型橡胶密封圈的有限元模型Fig.2 Finite element model of O-ring rubber seal

O型橡胶密封圈的工作情况可分为2个过程:密封圈过盈装配的预压缩过程和密封圈随着缸套往复运动的过程。首先,给活塞试样一定的径向位移,使得密封圈被压缩,从而实现O型密封圈过盈预装的过程。其次,给活塞上设置一定的轴向位移,使其做往复运动,模拟橡胶密封圈往复运动的过程。

橡胶密封结构中密封凹槽和活塞轴与O型橡胶圈圈的接触问题可以看作是刚体与柔体的面面接触,在有限元分析中分别定义活塞试样与O型橡胶密封圈的接触以及缸套试样与密封圈的接触2个接触对,缸套面和活塞面作为接触主面,而O型橡胶密封圈作为接触从面。采用线性缩减积分单元CPS4R,并在O型橡胶密封圈与刚体接触的区域进行网格细化,然后利用ABAQUS接触求解中的罚函数法来进行分析计算。

3 结果与分析

本文主要研究密封圈的预装过程及其往复运动过程中不同的材料硬度、压缩率、摩擦因数、介质压力对其密封性能的影响。在对O型橡胶密封圈密封性能进行有限元模拟时,主要是对其在不同工况下的Von Mises应力和接触应力进行分析。Von Mises应力主要用来衡量O型橡胶密封圈的破损失效和疲劳失效。一般情况下,在Von Mises应力越大的部位,橡胶密封件越容易出现密封失效的情况,因为在此处橡胶密封圈很有可能出现缺损、断裂等破坏。而当接触应力大于介质压力时,认为密封结构可以保证良好的密封性能。

3.1 材料硬度的影响

航空航天领域中应用较为广泛的橡胶材料主要有三元乙丙橡胶、氟橡胶以及丁腈橡胶,其邵氏硬度及其杨氏模量E如表2所示。

表2 不同橡胶材料参数Tab.2 Parameters of different rubber materials

在不考虑温度的影响下,对丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶这3种材料的O型橡胶密封圈的往复运动过程进行有限元分析,分析不同材料橡胶密封圈的最大应力分布情况,探究不同硬度的橡胶材料对动密封过程中密封性能的影响规律。

图3描述了橡胶密封圈在往复动密封分析中3个分析步相应的工作过程。图4为不同O型橡胶密封圈的最大Von Mises应力变化图,可以看到,在往复运动过程中,不同类别O型橡胶密封圈的最大Von Mises应力值变化趋势相似,其中丁腈橡胶承受的应力值相对较大。

图3 橡胶密封圈在往复动密封中的工作过程Fig.3 The working process of rubber sealing ring in reciprocal sealing

图4 不同材料O型橡胶密封圈的最大Von Mises应力变化Fig.4 The maximum Von Mises stress change of O-ring rubber seals of different materials

在开始很短的时间内,曲线斜率较大,且Von Mises应力值随时间的增大而增大,这是由于预装过程对Von Mises应力的影响较大, 导致Von Mises应力值迅速增大。当O型橡胶密封圈开始向右的行程时,其Von Mises应力值有轻微的增大,这是由于此时O型橡胶密封圈与运动活塞间的切向的静摩擦转为了动摩擦,当其处于稳定的动摩擦的状态中,其Von Mises应力值也趋于稳定。当O型橡胶密封圈到达储能行程终点时,其最大Von Mises应力值又会有所增大,这是由于活塞倒角对O型密封圈的挤压使得密封圈承受的应力集中,如图5所示,Von Mises应力到达一个峰值。然后,往复运动的工作行程开始,O型橡胶密封圈又会随着活塞一起运动,此时橡胶密封圈处于静摩擦状态,其最大Von Mises应力值有所降低,当到达行程的终点时,其最大Von Mises应力值增大到另一个极值。

图5 活塞倒角对O型密封圈的挤压变形应力云图Fig.5 Compression deformation stress nephogram of piston chamfer on O-ring seal

图6显示了3种O型橡胶密封圈的最大Von Mises应力和最大接触应力值的对比情况,从图中可以比较直观地看出在3种橡胶中,丁腈橡胶密封圈在往复运动中的最大接触应力值最大,这对其在往复运动密封中的密封效果十分有利,其密封性能会相对于三元乙丙橡胶和氟橡胶较好一些;但其在往复运动中的最大Von Mises应力值也相对较大,所以在丁腈橡胶的实际工况使用中,应特别注意其缺损、断裂所导致的失效。

图6 往复运动中不同橡胶的应力对比Fig.6 Comparison of stress of different rubbers in reciprocal motion

3.2 压缩率的影响

3.2.1 压缩率的计算

工作时O型橡胶密封圈将安装在缸套凹槽中,通过对其挤压实现密封。安装时,对O型橡胶密封圈施加预压力,使其发生变形达到密封效果。O型橡胶密封圈与密封槽尺寸正确配合所形成的压缩量是影响其密封效果的关键因素之一。O型密封圈压缩率(ε)的表达式为

(2)

式中:D为O型橡胶圈压缩前的截面直径;H为O型密封圈压缩后的截面高度。

3.2.2 密封圈的预装过程

O型橡胶密封圈在预装过程中被压缩使其产生应力,本文中的O型密封圈选取硬度为80、泊松比为0.499的丁腈橡胶,图7为丁腈O型橡胶圈在预装过程中的应力云图。

图7 预压缩时的应力云图Fig.7 Stress nephogram during precompression

当橡胶材料的硬度一定时,在无介质压力时给其一定的径向压缩,可以看到O型密封圈呈鼓型被压缩,且在O型密封圈与活塞和缸套轴接触面上的Von Mises应力最大,符合橡胶密封圈在实际预装过程中的应力分布情况。为防止O型橡胶密封圈产生过大的变形破坏,应在保证密封条件下选择尽可能小的压缩量。

3.2.3 不同压缩率的影响

本文中的往复式O型橡胶密封圈在实际工况下的压缩率范围一般在10%～15%之间,因此分别选取压缩率为10%、12.5%、15%,分析其最大接触应力和最大Von Mises应力对密封圈应力分布的影响。 图8为压缩率对最大Von Mises应力和最大接触应力的影响。

图8 压缩率的影响Fig.8 The effect of compression rate

由图8可以看出:在往复运动中,O型橡胶密封圈的最大Von Mises应力和最大接触应力都随着压缩率的增大而增大,且最大应力值均出现在O型密封圈与活塞接触的位置,这是由于活塞的循环往复运动使O型橡胶密封圈在其接触面上产生摩擦,Von Mises应力过大会导致橡胶圈密封失效。随着接触应力的增大,O型橡胶密封圈的密封效果会更好,但若初始压缩率过大其残余变形将增大,O型橡胶密封圈更容易产生损伤导致密封失效。因此,在O型橡胶密封圈往复运动的预装过程中,合理选择压缩率范围对其密封效果至关重要。

3.3 摩擦因数的影响

当O型橡胶密封圈用于往复动密封时,其相对运动所产生的摩擦就必须加以考虑,以防止由于摩擦而导致的密封失效。图9为不同摩擦因数下O型橡胶密封圈的最大Von Mises应力随时间的变化曲线,从图中可以看出在往复运动开始后,Von Mises应力随摩擦因数的增大而增大。

图9 不同摩擦因数下的最大Von Mises应力随时间的变化Fig.9 Variation of maximum Von Mises stress with time under different friction coefficients

在预压过程中Von Mises应力值迅速增大,摩擦因数对其应力值无影响。在第一个拐点处,往复运动的储能行程开始,最大Von Mises应力值开始缓慢增大,O型橡胶密封圈将随活塞一起向右运动,摩擦因数越大,其Von Mises应力值越大。当O型橡胶密封圈与右侧密封凹槽的内壁接触时,密封圈与运动的活塞变为稳定的动摩擦,所以其Von Mises应力值不变。当行程即将结束时,其最大Von Mises应力值增大并达到一个峰值,这是因为活塞的动摩擦力使O型橡胶圈有被挤入密封间隙的趋势,摩擦因数越大,峰值越大。接着,往复运动的工作行程开始,O型橡胶密封圈开始随活塞向左运动,其最大Von Mises应力在这个过程中先有下降的趋势然后又有所上升,这是因为此时橡胶密封圈随活塞的运动产生静摩擦,随后,当O型橡胶圈与左侧密封槽内壁接触时又变为动摩擦,当建立起稳定的动摩擦状态后,其最大Von Mises应力值将趋于稳定,随着工作行程的结束,其最大Von Mises应力值又达到一个峰值。

从图10可以看到,最大Von Mises应力随着摩擦因数的增大而增大,但最大接触应力与摩擦因数的大小无关,因此较大的摩擦因数也会导致O型橡胶密封圈在往复运动中出现应力集中的现象而破损,因此必须具有合适的摩擦因数才能保证良好的往复动密封性能。

图10 最大Von Mises应力和最大接触应力随摩擦因数的变化Fig.10 Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with friction coefficient

3.4 介质压力的影响

橡胶密封圈应用于航天航空机构中需要承受一定的介质压力,本文中的O型橡胶密封圈需要承受的介质压力范围为0～10 MPa。

选取2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa的介质压力,分别在不考虑温度且保持压缩率一致的条件下对丁腈橡胶进行数值模拟,探究不同的介质压力对O型橡胶密封圈动密封性能的影响。

从图11中橡胶密封圈的最大Von Mises应力在不同介质压力下的分布情况可以看出,介质压力的增大使动密封下的O型橡胶密封圈Von Mises应力提高,且橡胶密封圈有部分被挤入密封间隙,这与文献[11]中介质加压时的情况相似。此外,在工作行程和储能行程中,最大应力均出现在密封圈与缸套密封槽壁接触的拐角部位,与实际使用中橡胶密封圈易发生密封失效的位置基本一致。随着介质压力的增大,橡胶密封圈被挤入间隙的趋势更为明显。

图11 不同介质压力下橡胶密封圈的Von Mises应力分布Fig.11 Von Mises stress distribution of rubber seals under different medium pressures

图12为O型橡胶密封圈往复行程中最大Von Mises应力和最大接触应力随介质压力的变化关系曲线,由曲线可以看出随着介质压力的升高密封圈的最大Von Mises应力和最大接触应力也随之增大,因此在实际工作中,应在工况范围内选择合理的介质压力,避免O型橡胶密封圈的摩擦加剧。

图12 最大Von Mises应力和最大接触应力随介质压力的变化Fig.12 Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with medium pressure

4 结论

本文建立了O型橡胶圈密封结构的二维有限元轴对称模型,通过分析其最大 Von Mises 应力以及最大接触应力来研究往复运动过程中材料硬度、预压缩率、摩擦因数、介质压力等因素对O型橡胶密封圈密封性能影响。

1) 通过对比不同材料橡胶圈的性能,丁腈橡胶能承受相对较大的应力载荷,相比于三元乙丙橡胶和氟橡胶,丁腈橡胶适用于较高工作压力下的密封。

2) 在预压缩的过程中,O型橡胶密封圈被压缩而发生变形呈鼓形,最大的Von Mises应力出现在密封圈与密封凹槽和活塞轴接触位置。随着接触应力的增大,O型橡胶密封圈的密封效果会更好,但初始压缩率过大,会使橡胶密封圈的残余变形增大,O型橡胶密封圈更容易产生损伤导致其失效。

3) 摩擦因数也会对密封圈的密封性能产生影响。在往复运动中,较大的摩擦因数也会导致O型橡胶密封圈在往复运动中出现应力集中而发生损伤,因此必须选取合适的摩擦因数以保证良好的往复动密封性能。

4) 在动密封条件下,随着介质压力的增大,最大Von Mises应力和接触应力都会随之增大,且在活塞拐角处较容易发生应力集中现象,因此,在进行密封结构设计时应合理选取密封结构的倒角半径等参数及介质压力等工况条件,避免摩擦加剧。

综上,在密封圈的实际服役中应综合考虑压缩率、材料硬度、摩擦因数及介质压力对其动密封性能的影响,从而提高O型橡胶密封圈的使用寿命,降低失效概率。