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Ansys 软件在设备密封性仿真中的应用

何新文;高驰名

【摘 要】 密封性是设备重要的防护性能，针对工程中经常出现的密封设计不合理 导致设备密封失效、橡胶垫永久变形等问题，研究了橡胶密封原理、应力—应变 关系，并利用 Ansys 分析橡胶垫变形，指导设备密封设计。阐述了橡胶垫片密封 原理以及不同压缩量对密封性能的影响，给出了橡胶应力—应变计算公式，简单 介绍了 Ansys 分析流程和常用的超弹性材料模型，以密封盒密封设计为例，说明 如何应用 Ansys 对设备密封性能做定量计算。用 Ansys 对结构进行应力分析，找 出盖板的危险截面，对危险截面渗透压进行详细地分析，仿真计算结果表明该方案 可行。 %Sealing is important for equipment.Improper sealing design could result in sealing fail and even permanent distortion of rubber.The rubber sealing principle,stress strain relation and the application of Ansys in rubber distortion is researched in this paper to guide sealing design.This paper also expounds the rubber sealing principle and the influence of different compressive deformation to sealing and puts forward the calculation formula on stress-strain. The basic flow chart of Ansys and the model of hyperelastic material are briefly introduced.Taking a sealing box as an example,this paper explicates the quantitative calculating method of equipment sealing performance by Ansys.The model is analyzed by Ansys and the dangerous section is determined.The dangerous section of the
rubber is analyzed in detail.Analysis results show the design is feasible.Experimental results prove the analysis method is feasible and effective.

【期刊名称】 《无线电工程》
【年(卷),期】 2016(046)004

【总页数】 4 页(P75-78)

【关键词】 Ansys;橡胶密封;应力-应变关系;接触压力
【作 者】 何新文;高驰名

【作者单位】 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;中国 电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081
【正文语种】 中 文
【中图分类】 TH122

Abstract Sealing is important for equipment.Improper sealing design could result in sealing fail and even permanent distortion of rubber.The rubber sealing principle,stress-strain relation and the application of Ansys in rubber distortion is researched in this paper to guide sealing design.This paper also expounds the rubber sealing principle and the influence of different compressive deformation to sealing and puts forward the calculation formula on stress-strain.The basic flow chart of Ansys and the model of hyperelastic material are briefly introduced.Taking a sealing box as an example,this paper explicates the quantitative calculating method of equipment sealing performance by Ansys.The model is analyzed by Ansys and the dangerous section is determined.The dangerous section of the rubber is analyzed in detail.Analysis results show the design is

feasible.Experimental results prove the analysis method is feasible and effective.
Key words Ansys;rubber sealing;stress-strain relation;contact pressure
电子设备密封形式一般为静密封，主要采用垫片密封的形式来实现，而垫片材质的 选择、密封沟槽的设计及垫片的安装是垫片密封设计的关键[1]。密封设备，当密 封垫与结构间的接触压力大于外部水压时，才不会发生渗漏，传统密封设计一般仅 凭经验，没有完整、可靠的计算方法，往往造成实际密封效果无法达到设计要求。 利用 Ansys 软件对设备的密封性进行仿真分析，能真实、直观地展现橡胶、压板 等结构件的应力、应变，显示各处的接触压力、流体渗透压力等。在 Ansys 软件 仿真分析的基础上，提出了设备密封设计仿真分析方法，验证结构设计密封是否有 效，为结构密封设计提供依据和指导。
密封电子设备结构一般可分为框架和盖板(底板、面板)2 部分，框架与盖板之间常 采用垫片密封。设备的密封性能主要取决于密封面形式和垫片[1]。橡胶垫片具有 组织致密、质地柔软、回复性好和价格低等特点，是密封设计中常用的垫片。
1.1 橡胶垫片密封原理
橡胶垫片密封主要是通过控制橡胶垫的相对变形量 (简称压缩量)来达到密封的目的。 如图 1 所示，橡胶垫未受压时的高度为 H0 ，当橡胶垫受到压力 F 后的高度变为 H1 ，其相对变形量 ε 为：ε=(H0-H1)/H0。
实践证明，当 ε=10%时，橡胶垫与装配面的缝隙小至 0.01 mm ，但水分子仍然能 渗透，当压力 F 继续增大，相对变形量 ε 取值范围在 20%~30%时，由于橡胶垫 的弹性及变形作用，橡胶垫紧贴装配面，水分子无法渗透，从而形成密封。如果进 一步增大压力 F ，当相对变形量 ε>30%后，密封质量改善不大，反而会由于疲劳 破坏而加速橡胶损坏甚至破裂，影响密封效果。因此，在密封设计中，橡胶的相对 变形量 ε 一般在 20%~30%范围内取值为宜。设计中应当注意的是，橡胶的变形

不仅与所加的压力有关，与温度、变形程度、受压时间以及材料本身的邵氏硬度等 多因素有关，所以其变形与应力并非直线关系[2]。
1.2 橡胶垫片的应力—应变关系
橡胶为超弹体，在计算中，一般假设橡胶不可压缩，泊松比 μ≈0.5，变形前后截 面积相等。橡胶的弹性模量不是固定值，即橡胶的应力与应变是非线性关系，一般 通过试验来测定应力—应变关系。而在实际计算中，可以将橡胶的弹性模量视为 固定值，通过经验公式计算出换算弹性模量，并确定应力与应变的关系。
在实际计算中，对于单向变形一般采用巴尔涅夫-哈扎诺维奇方程来计算应力与应 变关系[3-4]：
式中，σ 为应力； EP 为换算弹性模量；ε 为应变(橡胶垫的压缩量)。
换算弹性模量 EP 与理论弹性模量 E 的关系式为：
式中，φ 为形状系数，φ=S 支÷S 侧(S 支、 S 侧分别为橡胶垫的支撑面面积和侧面 积)；f 为摩擦系数。
理论与试验研究均表明，对于各向同性材料，弹性模量 E、泊松比 μ 与切变模量 G 之间存在如下关系：
根据文献[5] ，橡胶的剪切模量 G 与邵氏硬度 HA 有以下关系：
橡胶垫的材料、形状以及安装形式确定后，可由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)得出 橡胶应力与应变的关系，进而可以在压缩量确定后计算橡胶垫的应力。
有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法，也称为有限单元法，基本思想 是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式互相连接在一起的单元的组合体。有 限元的实质是把具有有限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集 合体，使问题简化为适合于数值解法。 Ansys 是最常用的、功能强大的有限元软 件之一。
2.1 分析流程

Ansys 分析过程包含前处理、加载求解和后处理 3 个主要步骤。
前处理的主要工作有：定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立模型 并划分网格。建立几何模型，并进行网格划分，生成物理模型，对实际问题进行模 拟。
加载求解的主要工作有：定义分析类型相分析选项、施加载荷和约束、指定载荷步 选项和计算求解。
后处理主要工作有：从求解结果中读取数据、对计算结果进行各种图形化显示、可 对计算结果进行列表显示和进行各种后续分析[6]。
2.2 超弹材料模型
Ansys 中关于超弹性本构模型有一些关键假设：材料相应的各项同性、等温和弹 性的；热膨胀是各向同性；变形完全可恢复；材料是完全或几乎不可压缩的。 Ansys 分析中常用的超弹材料模型有 Arrbda-Boyce Model、 Blatz-Ko Model、 Gent Model、 Mooner-Rivlin 模型、奥格登可压缩泡沫模型和 Ogden Potential 等等[5]。
国内外学者通过大量实验，提出了描述这类材料应力—应变关系的本构模型。现 在较为成熟的本构模型有 2 类:一类是基于热力学统计的方法，如 Neo-Hookean、 Kuhn-Grun、 Arruda-Boyce 和 Gent 模型；另一类是以连续介质力学理论为基础 的方法，如 Mooney-Rivlin、改进的 Mooney-Rivlin、 Ogden 和 Yeoh 模型[6]。 对于橡胶的应力应变分析一般采用 2 阶的 Mooney-Rivlin 模型，其表达式为：
式中， W 为应变势能函数；分别为第 1、第 2 应变偏量不变量； C10、 C01 为材 料常数； d 为材料不可压缩参数； J 为弹性体变形梯度的确定参数。
Mooner-Rivlin 模型支持当前技术单元： SOLID186、 SOLID187、 SOLSH190、 SHELL208、 SHELL209、 SHELL181、 SHELL182 和 PLANE183。
模型中的参数常量一般通过超弹材料试验数据拟合，即采用试验获得有关材料在压

力下的形变规律，根据试验的数据拟合确定模型中的参数常量。
一种密封盒安装在户外，要求结构防护等级为浸水型机壳。根据要求设计其结构， 外形尺寸为长×宽×高=200 mm×110 mm×34 mm，密封形式采用垫片密封，密 封面形式为平沟槽密封面。结构主要由盖板、盒体和密封垫组成，盒体侧面装有连 接器，连接器与盒体的缝隙采用 O 型圈密封，由连接器厂家保证连接器的密封性， 因此设计时主要考虑盖板与盒体缝隙的密封。考虑到防腐蚀性，盒体和盖板均采用 防锈铝，垫片采用硅橡胶板，其邵氏硬度为 30。密封盒结构组成如图 2 所示。
3.1 密封盒结构方案
密封垫采用宽度为 B0=4 mm ，高度为 H0=3 mm 的硅橡胶板，选择压缩量 ε=30%。硅橡胶是超弹体，假设压缩前后硅橡胶体积不变，压缩后仍然为矩形， 则压缩后密封垫的高度为 H1=2.1 mm 宽度为 B1=5.715 mm ，则盒体上固定密 封垫的沟槽尺寸为：宽度 b=6 mm ，高度 h=2.1 mm。
考虑到密封盒的尺寸，选择 M3 螺钉紧固盖板，根据式(1)、式(2)、式(3)和式(4) 计算橡胶垫在压缩量 ε=30%时的应力为：σ=0.74 MPa。若橡胶垫压缩前后体积 不变，假设形状仍为矩形，可计算变形后支撑面面积，进一步得出将橡胶垫压缩到 ε=30%时需要的压力： F=2 659.3 N。
根据文献[8-9] ，考虑预紧力、扭转力和安全系数等因素，计算 M3 螺钉能承受的 最大的拉力为： F=300.94 N。则，将橡胶垫压缩到 ε=30%时需要的螺钉数量为： 取 n=10。螺钉布局见图 2。盖板紧固后，密封垫的弹力会造成盖板变形，导致变 形部位密封垫的压缩量无法达到设计的要求，这可能造成密封盒发生渗漏，因此需 要对密封盒进行仿真分析，计算出盖板变形的最大位移位置，以及变形量，并以此 为最危险截面，进行危险截面应力分析，计算接触压力，保证其密封性。
3.2 密封盒应力分析
在 Ansys 中建立新的分析，赋予算例中各零件材料参数。盖板和盒体采用铝合金

材料，弹性模量为： E=70 GPa ，泊松比为 μ=0.33；橡胶垫采用硅橡胶板，使用 Mooney 模型，具体参数为：弹性模量 E=6.9 GPa ，泊松比为 μ=0.499 5,C10=2.5 MPa,C01=1.1 MPa,D=0[10]。定义盖板螺钉孔为固定，盒体底面向 盖板移动 0.9 mm ，定义所有接触类型均为标准接触，摩擦系数设定为 0.1。
求解完成后，软件采用云图的方式显示应力、位移和应变。分析结果如图 3 所示。 从图 3 中可以看出，盖板的变形一般在螺钉之间，最大变形为 0.035 mm ，计算 变形处橡胶垫的压缩量:
压缩尺寸为： H1=0.9-0.035=0.865 mm，
压缩量为。
最大变形处的密封垫压缩量最小，密封垫与结构件之间的接触压力也最小，因此选 择此处截面作为最危险截面，进行分析。
3.3 危险截面应力分析
在 Ansys 中建立新的分析，建立橡胶条平面应变受压模型，橡胶材料参数与上节 相同。因为主要分析橡胶垫受压后的变形情况、接触压力以及流体渗透压，因此将 其他结构件视为刚性。接触类型为标准接触，摩擦系数 0.1。定义盒体底面为固定， 盖板向下移动量为 0.865 mm ，橡胶垫一侧施加水压力，如果橡胶垫与结构件之 间的接触压力大于水压力，则不会发生渗漏；反之，橡胶垫与结构件之间的接触压 力小于水压力，则发生渗漏。橡胶垫与结构件之间的接触压力如图 4 所示，水的 渗透压力如图 5 所示。
由图 4 和图 5 可以看出，接触压力最大为 12.3 Mpa ，流体渗透压最大为 0.014 7 Mpa ，接触压力远远大于流体渗透压，密封设计有效。
以往设备密封设计仅凭经验，经常出现密封垫无法回弹、盖板变形和密封垫压缩量 小等现象，导致结构密封失效。利用 Ansys 有限元仿真软件，对橡胶垫进行分析， 可以得出橡胶的应力，进而计算该压缩量下的结构件尺寸、螺钉数量和布局等，使

密封设计得到定量计算，提高结构密封的可靠性，值得在结构密封设计中推广与应 用。设计师应积极掌握并运用仿真软件辅助结构设计，它能帮助查找结构薄弱环节， 缩短产品的设计周期，降低试验成本，提高产品质量。

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何新文 女， (1973—) ，工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。
高驰名 男， (1982—) ，工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。