O型圈熱應力分析

2021-03-02 雷老師的CAE案例

O型圈的壓裝過程、密封及熱應力分析

橡膠作為超彈性材料，該材料存在彈性勢能函數，該函數是應變張量的標量函數，其對應變分量的導數是對應的應力分量，在卸載時應變可自動恢復，應力和應變不再是線性對應的關係，而是以彈性能函數的形式一一對應。本文採用Mooney-Rivlin模型，用它幾乎可以來模擬所有橡膠材料的力學而行為。適合與中,小變形，一般適用於應變大約為100%（拉）和30%（壓）的情況，但Mooney-Rivlin模型不能模擬多軸向數據，由某種實驗得來的數據不能用它來預測其他的變形行為。

設物體內存在溫度的分布Δ(x，y，z)，那麼它將引起熱膨脹，其熱膨脹量(也稱為熱應變)為（1）;αT為熱膨脹係數;則該物體的物理方程由於增加了熱膨脹量(溫度正應變)而變為(2)

2.教學案例的目的

通過有限元分析了解橡膠材料的特質，了解O型圈的壓裝過程以及熱應力分析的方法，掌握Abaqus的一般操作步驟，為以後的有限元學習奠定基礎。

3.相關知識

這裡要用到彈性力學有限元法，有限元商業軟體Abaqus，了解橡膠特性。

4.技術路線

a)設計一個計算模型

建立如下圖所示的計算模型：剛體槽槽深15mm，寬22mm，O型密封圈半徑10mm。接觸面長40mm。模型參數C10,C01為0.736，0.184，膨脹係數為2.4e-4，摩擦係數0.1。

b)觀察無溫度場時Mises應力在接觸區域附近的分布情況及指定路徑上應力變化規律。

無溫度場時Mises應力分布

Y方向上Mises應力沿從上（接觸點）豎直向下（邊界）的路徑變化規律（應力-路徑曲線）。

c)觀察有溫度場時Mises應力在接觸區域附近的分布情況及指定路徑上應力變化規律。


溫度升高時Mises應力分布

Y方向上Mises應力沿從上（接觸點）豎直向下（邊界）的路徑變化規律（應力-路徑曲線）。

5.總結

在熱應力分析中，關鍵在於設置膨脹係數,初始溫度以及分析步中的的溫度。本文中，無熱應力場時，O型圈在受壓後，O型圈上接觸點與下接觸點中間部分應力較大，且分布較均勻，最大應力1.804MPa,最小應力0.03282MPa;在施加溫度場後，最大應力為2.52MPa，最小應力0.1802MPa，都有明顯增大。可見，溫度場改變，彈性材料模型的應力應變場也會有相應的變化。

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