Abaqus在橡胶密封垫设计中的工程化应用

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Abaqus在橡胶密封垫设计中的工程化应用

发动机的“三漏”问题，已日益成为影响发动机性能、可靠性、使用周期等的重点关注对象，因此发动机各密封材料的密封性能和可靠的连接方法是减少甚至消除这类问题的关键，对密封件的研究已经成为目前发动机设计中的一个重要组成部分。

一般而言，密封结构的装配关系及几何形状比较复杂,其中的橡胶密封元件,具有非线性本构关系。它会导致结构受力变得复杂,承载后会出现大位移、大应变。因此，传统的设计方法, 在实验之前不能预先地对密封结构的性能进行评价,只能依赖于设计者的经验,这显然已经不能满足现代精确设计的要求。本文针对某发动机开发中橡胶密封垫密封问题，利用大型有限元分析软件Abaqus，建立有限元分析模型，验证了该橡胶密封垫的失效原因，校核了优化方案的密封性能，为橡胶密封垫密封问题提供了理论依据，使问题得到了解决。

1.理论基础

Abaqus作为国际上最先进的大型通用有限元

计算分析软件之一，可以进行结构的静态和动态分析，具有丰富的单元模式，可以模拟广泛的材料性能，使工程分析和优化设计更快更好，在本案例中的计算分析得到了令人满意的结果。

1.1  分析模型的简化

在工程实践中，常存在这一样类弹性力学问题具有如下特征：

（1）物体是柱体，且轴向尺寸比横截面尺寸大很多；

（2）所有外力（体积力和表面力）都平行于横截面作用，且沿轴向保持不变。

任取一个垂直于轴向（z方向）的横截面，若轴向无限长，则该横截面为对称面，3个位移都应相对它对称。因此，可以推断位移分量应是：ux=ux(x,y),uy=uy(x,y),uz=0。由几何方程可得，平面内应变分量εx、εy、γxy≠0且仅为xy的函数；平面外应变分量εx=γxz=γyz=0。可见变形仅发生在与横截面平行的平面内，因此这类问题称之为平面应变问题。可推导得应力分量σx、σy、τxy仅为xy的函数，而σz=ν(σx+σy)≠0，τzx=τzy=0。

对于图1中的橡胶密封垫，显然是可以由三维的空间问题简化为二维的平面应变问题。

1.2  超弹性材料本构方程的选择

针对橡胶这种超弹性材料，本文采用常用的两参数Mooney-Rivlin材料模型来进行模拟。

对于大多数橡胶材料，在应变为150%以内时，采用两参数Mooney-Rivlin材料模型可以得到合理的近似值。

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2. 橡胶密封垫失效原因分析

图2为某发动机开发过程中，缸盖罩橡胶密封垫容易出现压破碎问题。针对此现象，通过有限元分析该橡胶密封垫失效原因。

2.1  建立有限元模型

将橡胶密封垫简化为平面应变问题，图3为缸盖罩、橡胶密封垫和缸盖的截面处几何模型，有两种截面形式。

压缩方向截面详细尺寸见表1，可得橡胶密封垫压缩距离为2.2-3mm。根据经验，压缩距离越大橡胶越容易失效，取最大压缩距离3mm进行分析。

橡胶硬度(邵氏A型)为65±5，其Rivlin系数见表2。根据经验，橡胶硬度越大橡胶越容易失效，取最大硬度70进行分析。

橡胶密封垫采用四边形平面应变杂交单元（CPE4H）进行网格划分，与缸盖罩和缸盖的接触面简化为解析刚体。约束缸盖各方向平动和转动自由度，缸盖罩上施加向下3mm的强迫位移，密封垫和缸盖、缸盖罩之间定义为有限滑移接触关系(finite sliding)，摩擦类型为库仑摩擦，摩擦系数为0.1。有限元模型见图4。

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2.2分析结果与评估

密封压力结果见图5。在两种截面处，橡胶密封垫与缸盖罩、缸盖的接触压力均大于1Mpa。在无介质压力的情况下，能保证很好的密封效果。

Mises应力结果见图6，应变结果见图7。根据线性黏弹性理论假设，应力松弛率与瞬时应力成正比，在小应变情形下瞬时应力又与应变成正比。而蠕变和应力松弛现象是黏弹性特性的两种表现方式。结果显示橡胶密封垫产生了较大的应力和应变，会造成橡胶的应力松弛和蠕变，结构失效，失去原有的密封能力。

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3. 优化方案分析

3.1  优化方案的提出

根据以上分析结果，由于橡胶密封垫、缸盖和缸盖罩的结构形式和材料已经不能更改，提出更改设计公差达到改变橡胶密封垫压缩距离的优化方案，更改后截面详细尺寸见表3，可得压缩距离变为2.4-2.8mm。

3.2优化方案的分析与评估

针对优化方案，需要同时评估橡胶密封垫的密封能力和橡胶是否失效。因此，综合橡胶密封垫最大/最小压缩距离和橡胶最大/最小硬度，共计四种组合进行有限元分析，分析方法不变。

优化方案的密封压力结果见图8。对于两种截面，在四种组合情况下，橡胶密封垫与缸盖罩、缸盖的接触压力均大于1Mpa。在无介质压力的情况下，能保证很好的密封效果。

Mises应力结果见图9，应变结果见图10。可见优化方案中，橡胶密封垫的应力和应变显著下降，产生应力松弛和蠕变的危险较小。

按照优化方案，修改工艺参数生产样件并进行了试验，该发动机缸盖罩橡胶密封垫未出现压破碎问题，密封性能也得到了保障。

4. 结束语

使用Abaqus软件进行橡胶密封垫的二维有限元分析可以较准确地预测橡胶密封垫的接触压力、应力和应变的分布情况和数值，验证橡胶密封垫性能，并且可以根据分析结果对橡胶密封垫进行结构优化设计，节省试验费用，缩短开发周期。

由于橡胶失效机理较复杂，本文仅通过应力和应变的大小进行定性评估，后期有待深入探索。