留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

张心怡, 贾均红, 高飒飒, 李洪春, 李东升, 杨晓东. O型橡胶密封圈动密封应力分布数值模拟研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1745-1752. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230296
引用本文: 张心怡, 贾均红, 高飒飒, 李洪春, 李东升, 杨晓东. O型橡胶密封圈动密封应力分布数值模拟研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1745-1752. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230296
ZHANG Xinyi, JIA Junhong, GAO Sasa, LI Hongchun, LI Dongsheng, YANG Xiaodong. Numerical Simulation Study on Dynamic Sealing Stress Distribution of Rubber O-ring Seal[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1745-1752. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230296
Citation: ZHANG Xinyi, JIA Junhong, GAO Sasa, LI Hongchun, LI Dongsheng, YANG Xiaodong. Numerical Simulation Study on Dynamic Sealing Stress Distribution of Rubber O-ring Seal[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1745-1752. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230296

O型橡胶密封圈动密封应力分布数值模拟研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230296
基金项目: 

陕西省重点研发计划项目 2023-YBGY-346

详细信息
    作者简介:

    张心怡(1999-), 硕士研究生, 研究方向为橡胶材料密封性能及损伤有限元分析, 210511030@sust.edu.cn

    通讯作者:

    贾均红, 教授, 博士, jhjia@sust.edu.cn

  • 中图分类号: TH145.4+1

Numerical Simulation Study on Dynamic Sealing Stress Distribution of Rubber O-ring Seal

  • 摘要: O型橡胶密封圈是航空航天密封机构中一个重要的零部件, 由于其服役工况条件复杂, 极易出现密封失效进而影响机构系统的正常运行。本文针对O型密封圈的选型及动密封失效问题, 基于ABAQUS建立了O型橡胶密封圈的二维轴对称模型, 分析了不同橡胶材料O型密封圈在往复运动时的应力变化, 探究了压缩率、摩擦因数、介质压力对其密封性能的影响, 并对其在往复运动中的失效形式和失效位置进行了预判。研究表明, 相比于三元乙丙橡胶和氟橡胶, 相同条件下丁腈橡胶密封圈密封性能较好; 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Von Mises应力出现在密封圈与密封凹槽和活塞轴接触位置。往复运动过程中, 随着压缩率、摩擦因数和介质压力的增大, O型橡胶密封圈的最大Von Mises应力和最大接触应力都随之增大; 当行程结束时, 其最大Von Mises应力值达到一个峰值, 且摩擦因数越大, 峰值越大; 最大Von Mises应力和接触应力都会随着介质压力的增大而增大, 在活塞拐角处较容易发生应力集中现象。本研究可为O型橡胶密封圈的材料选择及动密封的参数调控提供理论依据。
  • 图  1  密封结构示意图

    Figure  1.  Diagram of seal structure

    图  2  O型橡胶密封圈的有限元模型

    Figure  2.  Finite element model of O-ring rubber seal

    图  3  橡胶密封圈在往复动密封中的工作过程

    Figure  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

    Figure  4.  The maximum Von Mises stress change of O-ring rubber seals of different materials

    图  5  活塞倒角对O型密封圈的挤压变形应力云图

    Figure  5.  Compression deformation stress nephogram of piston chamfer on O-ring seal

    图  6  往复运动中不同橡胶的应力对比

    Figure  6.  Comparison of stress of different rubbers in reciprocal motion

    图  7  预压缩时的应力云图

    Figure  7.  Stress nephogram during precompression

    图  8  压缩率的影响

    Figure  8.  The effect of compression rate

    图  9  不同摩擦因数下的最大Von Mises应力随时间的变化

    Figure  9.  Variation of maximum Von Mises stress with time under different friction coefficients

    图  10  最大Von Mises应力和最大接触应力随摩擦因数的变化

    Figure  10.  Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with friction coefficient

    图  11  不同介质压力下橡胶密封圈的Von Mises应力分布

    Figure  11.  Von Mises stress distribution of rubber seals under different medium pressures

    图  12  最大Von Mises应力和最大接触应力随介质压力的变化

    Figure  12.  Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with medium pressure

    表  1  不同材料橡胶的C10C01的值

    Table  1.   C10 and C01 values for rubber of different materials

    橡胶材料 C01/C10的值 C10 C01
    三元乙丙橡胶 0.042 5 1.279 0 0.054 3
    氟橡胶 0.244 0 1.206 0 0.294 0
    丁腈橡胶 -0.429 0 2.334 0 -1.000 7
    下载: 导出CSV

    表  2  不同橡胶材料参数

    Table  2.   Parameters of different rubber materials

    橡胶材料 邵氏硬度值/HA 杨氏弹性模量E/MPa
    三元乙丙橡胶 63±2 8
    氟橡胶 70±2 9
    丁腈橡胶 80±2 13
    下载: 导出CSV
  • [1] Investor's Business Daily. Space Shuttle Endeavour[J]. Investors Business Daily, 2012: A02.
    [2] 孙冬花, 孙雯君, 丁栋, 等. 一种动密封结构老化前后密封性能试验研究[J]. 真空与低温, 2019, 25(2): 111-115. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZKDW201902010.htm

    SUN D H, SUN W J, DING D, et al. Study on sealing performance before and after aging of the dynamic seal structure[J]. Vacuum and Cryogenics, 2019, 25(2): 111-115. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZKDW201902010.htm
    [3] 冯智猛, 刘海静, 王飞, 等. 空间环模设备O型橡胶密封圈设计计算[J]. 真空, 2023, 60(2): 57-62. doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2023.02.10

    FENG Z M, LIU H J, WANG F, et al. Design and calculation of O-type rubber sealing for space environment simulation equipment[J]. Vacuum, 2023, 60(2): 57-62. (in Chinese) doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2023.02.10
    [4] 冷献春, 刘攀. 基于有限元仿真分析的天线罩橡胶密封结构设计[J]. 环境技术, 2022, 40(5): 92-97. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJJJ202205017.htm

    LENG X C, LIU P. Design of radome rubber sealing structure based on finite elements simulation analysis[J]. Environmental Technology, 2022, 40(5): 92-97. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJJJ202205017.htm
    [5] 杨喜军, 王谨, 程慧, 等. 固体火箭发动机硅橡胶密封圈贮存寿命分析[J]. 宇航材料工艺, 2012, 42(5): 76-79. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YHCG201205019.htm

    YANG X J, WANG J, CHENG H, et al. Storage life of silicone rubber sealing ring used in solid rocket motor[J]. Aerospace Materials & Technology, 2012, 42(5): 76-79. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YHCG201205019.htm
    [6] 张力伟, 孙秀茹, 熊英, 等. 以氧化诱导期为性能变化指标推算三元乙丙橡胶O型密封圈的贮存寿命[J]. 高分子材料科学与工程, 2021, 37(10): 105-111. doi: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2021.0252

    ZHANG L W, SUN X R, XIONG Y, et al. Lifetime estimation of EPDM O-rings by using oxidation induction time as performance indicator[J]. Polymer Materials Science & Engineering, 2021, 37(10): 105-111. (in Chinese) doi: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2021.0252
    [7] 王恒, 侯昱舟, 刘世东, 等. 固体火箭发动机密封结构优化仿真分析[J]. 甘肃科技, 2019, 35(8): 41-44. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GSKJ201908014.htm

    WANG H, HOU Y Z, LIU S D, et al. Solid rocket engine seal structure optimization simulation analysis[J]. Gansu Science and Technology, 2019, 35(8): 41-44. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GSKJ201908014.htm
    [8] 郭建伟, 张佳林, 王海涛, 等. 基于有限元分析的O形圈密封高压咬伤问题研究[J]. 液压气动与密封, 2018, 38(7): 76-79. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYQD201807024.htm

    GUO J W, ZHANG J L, WANG H T, et al. Pressure damage problem research of O-sealing ring with finite element analysis[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2018, 38(7): 76-79. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYQD201807024.htm
    [9] 王东辉, 戈嗣诚, 王立武, 等. 柔性舱O型密封圈密封性能分析[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(1): 48-56. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HFYG202101007.htm

    WANG D H, YI S C, WANG L W, et al. Analysis of the sealing performance of O-ring in flexible cabin[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 48-56. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HFYG202101007.htm
    [10] 乐泽锌, 雷泽勇, 钟林, 等. 深井超声波清洗装置的O型密封圈有限元分析[J]. 机械研究与应用, 2021, 34(6): 39-42. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXYJ202106011.htm

    LE Z X, LEI Z Y, ZHONG L, et al. Finite element analysis of the O-Ring seal in deep well ultrasonic device[J]. Mechanical Research & Application, 2021, 34(6): 39-42. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXYJ202106011.htm
    [11] 张镇国, 沙宝林, 王才, 等. 基于Abaqus的往复运动中双道O型圈密封性能分析[J]. 固体火箭技术, 2019, 42(1): 85-91. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GTHJ201901014.htm

    ZHANG Z G, SHA B L, WANG C, et al. Analysis of the double-sealing performance of O-ring in reciprocating movement based on Abaqus[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2019, 42(1): 85-91. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GTHJ201901014.htm
    [12] KÖMMLING A, JAUNICH M, GORAL M, et al. Insights for lifetime predictions of O-ring seals from five-year long-term aging tests[J]. Polymer Degradation and Stability, 2020, 179: 109278.
    [13] LIANG B L, YANG X, WANG Z L, et al. Influence of randomness in rubber materials parameters on the reliability of rubber O-ring seal[J]. Materials, 2019, 12(9): 1566-1566.
    [14] LIU W K, HE G Q. Storage life of silicone rubber sealing ring used in solid rocket motor[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2014, 27(6): 1469-1476.
    [15] 潘帅, 杨张义. O型橡胶密封圈的失效及预防探讨[J]. 中国设备工程, 2020(19): 132-133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SBGL202019073.htm

    PAN S, YANG Z Y. Failure and prevention of O-type rubber seal ring[J]. China Plant Engineering, 2020(19): 132-133. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SBGL202019073.htm
    [16] 张良, 李忠华, 马新强. 橡胶Mooney-Rivlin超弹性本构模型的参数特性研究[J]. 噪声与振动控制, 2018, 38(S1): 427-430. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZSZK2018S2014.htm

    ZHANG L, LI Z H, MA X Q. Study on parameter characteristics of rubber Mooney-Rivlin model[J]. Noise and Vibration Control, 2018, 38(S1): 427-430. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZSZK2018S2014.htm
    [17] 马桂勇, 姜大志. Mooney-Rivlin模型在硅橡胶应力锥受力分析中的应用[J]. 胶体与聚合物, 2013, 31(4): 177-179. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTJH201304011.htm

    MA G Y, JIANG D Z. Stress analysis of stress-cone in cable terminal by Mooney-Rivlin model[J]. Chinese Journal of Colloid & Polymer, 2013, 31(4): 177-179. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JTJH201304011.htm
    [18] 韩斌慧. 基于Mooney-Rivlin模型的橡胶材料常数实测及应用研究[J]. 橡胶工业, 2018, 65(5): 499-503. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XJGY201805006.htm

    HAN B H. Measurement and application of rubber material constant based on Mooney-Rivlin model[J]. China Rubber Industry, 2018, 65(5): 499-503. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XJGY201805006.htm
  • 加载中
图(12) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  170
  • HTML全文浏览量:  125
  • PDF下载量:  41
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-05
  • 刊出日期:  2023-10-25

目录

    /

    返回文章
    返回