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對于大多數(shù)機械設(shè)備來講，密封件的作用是至關(guān)重要的。它直接影響機械設(shè)備的性能及壽命。如發(fā)動機中的密封件質(zhì)量就直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放性，是評價發(fā)動機總體性能的一個重要指標。O形橡膠密封圈(簡稱O形圈)是一種最為常見的密封件，它以其獨特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢被廣泛地應用于許多機械設(shè)備之中。然而，由于橡膠密封件的設(shè)計計算涉及到固體力學、摩擦學、高分子材料學以及機械制造工藝學等多方面的理論知識，因此，要對其進行精確研究在理論上就存在許多困難。傳統(tǒng)設(shè)計一般是根據(jù)由實驗總結(jié)的經(jīng)驗公式進行的，這使得很難對其進行更加深入細致的研究。實際的工程效果也難于令人滿意。“三漏”(漏水、漏氣、漏油)間題仍然是一個困惑機械工業(yè)的大難題，密封與治漏已引起世界各國的高度重視。
有限元分析是目前工程設(shè)計領(lǐng)域中廣泛采用的現(xiàn)代設(shè)計方法。文獻提出了橡皮軸對稱大變形問題及橡皮環(huán)大變形接觸問題的有限元法，但它僅限于簡單的幾何形狀和邊界條件。本研究采用罰單元接觸算法，建立了O形圈的軸對稱超彈性接觸問題的有限元分析模型，結(jié)合國際上通用的有限元分析系統(tǒng)ANSYS程序，對多種型號的O形圈進行了工作狀況下的擠壓變形及接觸應力分析，為橡膠密封件的設(shè)計提供了一種新的方法。
根據(jù)其結(jié)構(gòu)和受力邊界條件的特點，橡膠密封圈的有限元分析可以簡化為軸對稱問題，但卻屬于非線性有限元范疇。其非線性突出地表現(xiàn)在下列三個方面：①橡膠材料的應力應變關(guān)系是一個非常復雜的非線性函數(shù)，通常借助于三個應變不變量，用應變能函數(shù)表示；②橡膠體在力的作用下，一般伴隨著大位移、大應變，呈現(xiàn)超彈性特性，其應變位移關(guān)系也是非線性函數(shù)；③密封計算的邊界條件非常復雜，必須包含接觸計算，屬于非線性問題。另外，在變形過程中，橡膠體的體積沒有明顯變化，近似的看成不可壓縮體。對于不可壓縮體，應力張量無法用變形確定，而必須考慮不影響位移的靜水壓力。因此，由于材料、幾何及狀態(tài)的三重非線性，還有不可壓縮的條件，離散后由變分原理得到的是一個非常復雜的非線性方程。
(1)軸對稱非線性應變分析，(2)橡膠材料的應力應變關(guān)系：橡膠材料的應力應變關(guān)系非常復雜，各國學者提出了許多用于描述橡膠材料應力應變關(guān)系的應變能函數(shù)形式。目前廣泛采用的是Mooney-Revlin模型，通過附加體積約束能量項，得到一個修正的應變能函數(shù)。利用該修正的應變能函數(shù)將原來的體積約束變分問題轉(zhuǎn)化為無條件變分問題。(3)橡膠圈接觸問題的罰單元有限元模型：接觸問題是一種非常復雜的非線性問題。其復雜性主要來源于系統(tǒng)狀態(tài)的改變，即物體之間的接觸、分離，故又稱狀態(tài)非線性問題。目前國內(nèi)外學者已提出了許多有關(guān)接觸問題的有限元算法，如子結(jié)構(gòu)法，罰函數(shù)法等。本研究則采用罰單元法。從變分角度看，罰單元法是將結(jié)構(gòu)的總勢能n表達為應變勢能W，外力勢能We和接觸力勢能Q的和。
罰單元是一種偽單元。同普通有限元單元相比，罰單元不是一種實體的離散，沒有形狀函數(shù)，其剛度矩陣是階躍的，大小預先確定，計算的時候根據(jù)不同的狀態(tài)進行取值。在對二者完成有限元網(wǎng)格劃分后，就可在二者可能接觸的邊界上的節(jié)點之間建立罰單元。建立罰單元時，可以將兩接觸體的邊界分別預定為一個接觸面(線)和一個目標面(線)。接觸面(線)上的節(jié)點稱為接觸點，目標面(線)上的節(jié)點稱為目標點。
對二維(或軸對稱)問題，一個接觸點可以和任意兩個目標點構(gòu)成一個三角形罰單元。當然，為減少運算，實際分析時往往是僅在可能接觸的節(jié)點之間建立罰單元。值得指出的是，兩個接觸體的邊界可以互為接觸面(線)或目標面(線)。也即是說，一個接觸體邊界上的節(jié)點既可以是接觸點也可以是目標點。
本研究提出的方法也是可行的。由于有限元分析方法的通用性，采用的超彈性接觸有限元模型可以適用于一般的橡膠密封件的設(shè)計計算。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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