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橡膠密封件廣泛應(yīng)用于包括內(nèi)燃機(jī)在內(nèi)的許多機(jī)械設(shè)備中，橡膠密封件的設(shè)計(jì)是關(guān)系到這些機(jī)械設(shè)備可靠性及壽命的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，然而，由于它涉及到固體力學(xué)、高分子材料科學(xué)、液體侵蝕以及制造工藝等多方面的理論知識(shí)，故對(duì)該問題的精確研究存在許多困難，一般都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
目前，國(guó)內(nèi)許多機(jī)械設(shè)備采用多個(gè)小截面密封圈成組進(jìn)行密封。這種密封方式對(duì)軸、孔粗糙度的要求較高，導(dǎo)致加工復(fù)雜、安裝困難，而且效果很難令人滿意。而國(guó)外大多采用單個(gè)大截面密封圈進(jìn)行密封。不僅在軸、孔粗糙度上降低了要求，安裝容易，而且效果甚佳。本研究從固體力學(xué)的角度，結(jié)合國(guó)際上大型ANSYS有限元分析系統(tǒng)軟件，對(duì)柴油機(jī)O形橡膠密封圈進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，對(duì)不同截面和不同油壓下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，總結(jié)出一些結(jié)論，為橡膠密封件的設(shè)計(jì)計(jì)算作了有益的探索。
對(duì)密封圈進(jìn)行的有限元計(jì)算，由于邊界條件一般較為復(fù)雜，使得必須將密封圈及密封結(jié)構(gòu)的軸、孔作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。密封圈與軸、孔之間存在擠壓作用，因此密封圈的有限元分析是個(gè)包含橡膠材料和金屬材料的接觸問題。
橡膠材料屬于超彈性近似處理為一個(gè)不可壓縮體，材料的本構(gòu)關(guān)系是復(fù)雜的非線性函數(shù)，通常可以用應(yīng)變能函數(shù)表示。在受力后，材料能夠呈現(xiàn)出大位移大應(yīng)變。力學(xué)模型表現(xiàn)為復(fù)雜的材料非線性和幾何非線性。其變形后的體積可近似看成不變，故其應(yīng)力不能由變形狀態(tài)唯一確定，而是由變形和靜水壓共同確定。從變分角度講，由于不可壓縮條件的存在，使橡膠體的有限元分析變成一個(gè)等式條件變分問題。目前廣泛采用Mooney-Revlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)，同時(shí)附加體積約束能量項(xiàng)，得一修正的應(yīng)變能函數(shù)。利用修正的應(yīng)變能函數(shù)可使問題化為一無條件變分問題。
接觸問題是廣泛存在于工程實(shí)際的一個(gè)復(fù)雜的非線性問題。隨著力學(xué)理論、數(shù)學(xué)理論以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)學(xué)者提出了許多接觸間題的有限元算法。可根據(jù)不同問題的力學(xué)模型性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)乃惴ā?strong>ANSYS程序采用罰單元法描述接觸問題。從變分角度看，是將結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能二表達(dá)為應(yīng)變勢(shì)能W、外力勢(shì)能We和接觸力勢(shì)能Q的和。
在采用大槽寬(橡膠圈可沿軸向自由變形)密封結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)壓作用不僅不會(huì)使橡膠圈脫離孔的內(nèi)表面而產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象，反而可增加橡膠圈與軸、孔之間的接觸力，故建議橡膠密封結(jié)構(gòu)采用大槽寬。如此可避免小槽寬密封結(jié)構(gòu)中，橡膠圈由于單側(cè)受內(nèi)壓作用而削弱其與孔內(nèi)表面的接觸力，甚至使其脫離孔的內(nèi)表面而導(dǎo)致泄漏現(xiàn)象。對(duì)相同的壓縮量，小截面橡膠圈對(duì)應(yīng)的接觸壓力大，但接觸帶小。接觸壓力大勢(shì)必導(dǎo)致安裝困難及安裝時(shí)被破壞的可能性大，增加失效泄漏概率，而接觸帶寬小，為使密封效果好，對(duì)軸、孔的粗糙度要求很高，造成加工困難。因此，橡膠密封結(jié)構(gòu)在滿足結(jié)構(gòu)工藝等其他要求的狀況下應(yīng)盡可能選用大截面橡膠圈進(jìn)行密封。溫度的升高雖會(huì)使橡膠圈膨脹，但由于其Mooney-Revlin常數(shù)的變化，最大接觸壓力反而減小，可能會(huì)增加泄漏的可能性。本研究采用的方法可推廣應(yīng)用到一般的橡膠密封圈的分析計(jì)算。
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