ANSYS经典案例在Workbench中实现 | 密封圈仿真

结构中密封圈的应用非常广泛，常见于轴、超弹体和法兰盘等相关组件中。密封圈的密封性能取决于密封圈和接触构件之间的接触压力，当密封圈周围的液体压力差超过接触所提供的抵抗力时，液体将会发生渗透现象。

ANSYS作为一个通用有限元分析软件，可以利用其非线性分析的功能：

1 、预测密封圈的变形和应力分布情况；

2、 预测密封圈上的接触应力（安装载荷、工作载荷以及其它可能的载荷形式）；

3、 可以考虑密封圈和相邻构件之间液压渗透载荷对密封圈受力情况的影响。

所有这些结果都有助于工程师理解密封圈的结构性能设计、密封圈的工作状态以及如何应用密封圈防水。

ANSYS中液压渗透载荷可以根据接触状态，在接触面上施加液体压力载荷。该载荷是一种按路径加载的载荷，所以，载荷可以按加载路径扩展或是改变。在迭代开始时，程序会自动寻找液压载荷所施加的接触区域中所有可能的起始点，根据这些起始点，程序结合实际的接触状态确定液压加载点。最后，程序将载荷加载在接触对的接触面和目标面上。另外，当接触重新闭合，或是接触压力大于液体压力时，液压渗透载荷将会被移除。

问题描述

如下图所示，一个弹性O形圈通过其外表面的受压，起到密封防水的功能。在保证密封圈防水性能的同时，需要将作用在O形圈上的载荷最小化，这是开展该仿真分析的目的。为了将问题简单化，该案例采用二维轴对称模型进行仿真分析。

图1 模型介绍

仿真中，将O形圈处理成一种不可压缩的弹性体材料，选择一阶Ogden材料模型，对于塑料盖，仅考虑其线弹性。材料模型参数如下图所示：

图2 材料参数

接触定义

仿真设置中共有六对接触：

1 、O形圈的左侧与左侧相邻构件的接触；

2、 O形圈的右侧与左侧相邻构件的接触（因为O形圈在整个过程中变形较大，故O形圈的部分区域存在与左侧构件接触的可能性）；

3 、塑料盖与右侧构件的接触；

4 、塑料盖与O形圈的接触；

5 、塑料盖与左侧构件上端的接触；

6、 塑料盖与左侧构件下端的接触。

图3~8 接触定义

所有接触形式均为摩擦接触，摩擦系数为0.1。采用增强拉格朗日算法。

边界条件

整个分析分为两个载荷步：

1 右侧构件固定，左侧构件向右侧移动0.2mm；

2 在前一个载荷步的边界条件下，施加渗透水压5.14MPa。

图9 边界条件

需要注意的是，在ANSYS Workbench中，目前不支持液压渗透载荷的GUI，需要用户自行输入命令施加载荷。首先，选择以下接触单元和目标单元，施加液压渗透载荷：

1、 O形圈的左侧与左侧相邻构件的接触对中的接触单元；

2、塑料盖与O形圈的接触对中的接触单元和目标单元；

3、塑料盖与左侧构件下端的接触对中的接触单元。

输入命令：sfe,all,1,pres,,5.14

接着，定义液压载荷起始点：

1 、定义O形圈左右两侧接触单元的下端为液压起始点；

2 、定义塑料盖下端点为液压起始点。

图10~12 液压载荷起始点的定义

计算结果

 T=0s 

     T=1s

T=1.2s  

T=2s

图13 变形云图

T=1s   

T=1.18s

 T=1.41s   

T=2s

图14 液压分布

T=1s 

 T=1.18s

T=1.41s   

T=2s

图15 接触压力分布

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