橡塑往复密封有限元分析推板
橡塑往复密封有限元分析
橡塑往复密封有限元分析 2011年12月04日 来源: 摘 要:本文采用ANSYS有限元程序,使用Moon-Rivlin材料模型,对橡塑往复密封在装配条件、工作条件下的力学行为进行了数值模拟,给出了应力、应变、装配压力等分布图,计算结果具有较高的工程应用价值。关键词:往复密封 有限元1 前言橡塑构件模拟分析属于高度非线性问题,涉及到材料非线性、几何非线性、状态非线性。ANSYS有限元程序具有较强的非线性求解功能,本文使用Moon-Rivlin材料模型,通过试验数据拟合,给出了不同个数的Moon-Rivlin材料模型参数,对橡塑往复密封在装配条件、工作条件下的力学行为进行了数值模拟,给出了应力、应变、装配压力等分布图,计算结果具有较高的工程应用价值。2 超弹性橡胶材料模型2.1超弹性理论橡胶是一种超弹性材料,具有良好的伸缩性和复原性,因而被广泛应用。相对于金属材料的性能表征只需要较少的参数,橡胶的特性就显得错综复杂。橡胶的材料特性和几何特性,都是呈非线性变化的。因而基于各向同性假说,用一个统一的数值来对橡胶进行表征具有重要意义,这个数值就叫应变能密度函数(W),该函数是一个应变或变形张量的标量函数,它对应变分量的导数就是相应的应力分量:[S]=∂W/∂[E]其中:[S]--- 第二Piola-Kirchhoff应力张量W --- 单位体积的应变能函数[E]--- Lagrangian应变张量在ANSYS中,应变能密度函数用多项式表示为:
其中: akl----九参数三阶Mooney-Rivlin关系常数,k为体积模量。k=2(a10+a01)/(1-2v)当N=1时,二常数应变能密度函数展开式:
当N=2时,五常数应变能密度函数展开式:
当N=3时,九常数应变能密度函数展开式:
其中Ii是应变不变量,是一种与坐标系无关的应变表示法,使用他们就意味着材料被假定为各向同性的。超弹性材料的弹性变形是纯弹性应变,是一种保守行为,与加载路径无关。大多数超弹材料,特别是橡胶,都是几乎不可压的,不可压材料在静水压力下不产生变形,几乎不可压材料的泊松比一般在0.48到0.50之间。 2.2超弹性材料性能测定Mooney-Rivlin是 ANSYS中一种适用于不可压缩的橡胶类材料选项,可以使用二、五、九个常数来描述材料特性。因此要想获得精确的计算结果,必需准确的计算Mooney-Rivlin常数。计算常数时,需要试验测试应力应变数据,而且是多种变形模式的试验数据的组合信息,至少测试数据要能代表计算模型中所有的的变形模态和响应范围。对超弹性材料而言,六种变形模式能被用来精确定义Mooney-Rivlin常数,由于多向拉伸和静水压力作用在不可压材料上能导致不同的应力,却不能改变材料的形变,因此六种变形模式可简化为三种变形模式:单轴拉伸(等效的等双轴压缩)、单轴压缩(等效的等双轴拉伸)、剪切(平面拉伸或压缩)。
图1 等效的变形模式
根据以上超弹性材料变形模式的分析,选取单轴拉伸、单轴压缩、平面拉伸三种模式对橡胶进行材料性能测试。 2.3 Mooney-Rivlin常数计算结果把试验数据输入ANSYS软件进行拟合,求解Mooney-Rivlin常数。
图2 二常数Mooney-Rivlin计算曲线与测试数据曲线(拉、压、剪)
图3 五常数Mooney-Rivlin计算曲线与测试数据曲线(拉、压、剪)
图 4 九个Mooney-Rivlin常数计算曲线与测试数据曲线(拉、压、剪)
3.橡塑往复密封件有限元模拟计算3.1计算模型采用典型的橡塑组合密封件作为计算模型。结构由三部分组成:上面聚四氟乙烯块;中间橡胶圈(O型、X型);底部为金属槽。
3.2材料模型首先聚四氟乙烯材料为塑性材料,采用双线性随动强化材料模型来模拟,参数选取如下:弹性模量:E=1.0GPa;屈服强度:σy=18MPa;屈服应变:ey=1.6%;切向模量:Et=0.12GPa; 泊松比:u=0.35。橡胶选用Moon-Rivlin材料模型。金属材料模型为简化计算,采用刚体模型。3.3单元网格划分橡胶材料采用HYPER74超弹性8节点单元,聚四氟乙烯材料采用PLANE82平面8节点单元。接触面单元选用CONTA172单元,靶面单元采用TARGE169单元。3.4主要边界条件装配条件下,橡胶圈纵向变形25%。4.计算结果经过计算,得出了橡塑组合密封件在装配条件下的位移分布云图、应力分布云图如图7-10。
给出O型胶圈与金属槽交接处沿X、Y方向的应力变化曲线:
图11 装配条件下组合密封件压件底部X、Y方向应力图
给出X型往复密封件在装配条件下的位移变形云图。
图12 X型往复密封件装配条件下变形图 图13 X型往复密封件工作条件下变形图
5 结论通过对O型往复密封件、X型往复密封件的模拟分析,得出了在装配条件、工作条件下应力、变形、装配压力等分布图,计算结果具有较高的工程应用价值。说明ANSYS有限元程序具有较强的非线性求解功能,能够解决涉及材料非线性、几何非线性、状态非线性的复杂问题。(end)
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