Abaqus對橡膠密封圈和鋼管的限元模型進(jìn)行壓力滲透仿真案例
在閥門、橡膠、鋼管等行業(yè),密封件是常見的結(jié)構(gòu)部件,經(jīng)常需要進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真,橡膠這種材料由于其柔韌性和密封性對仿真軟件性能要求較高,本例采用達(dá)索系統(tǒng)Abaqus有限元軟件。Abaqus可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。同時Abaqus 可以對密封件進(jìn)行非線性有限元分析 (FEA),并使用壓力滲透功能驗(yàn)證密封件性能。
Abaqus對密封變形和應(yīng)力及接觸壓力分布的仿真
通過仿真分析,工程師可以確定密封變形和應(yīng)力以及接觸壓力分布。使用 Abaqus 考慮接觸面和密封之間的壓力穿透效應(yīng),可以使密封研究更加準(zhǔn)確。
此功能使用壓力滲透選項(xiàng)模擬接觸表面之間的流體滲透或壓力滲透。氣壓滲透接頭并對形成接頭的表面施加壓力,直到到達(dá)表面的某個區(qū)域,其中鄰接表面之間的接觸壓力超過壓力滲透選項(xiàng)中指定的臨界值,從而阻止進(jìn)一步滲透。
在本文中,我們將對密封件執(zhí)行非線性有限元分析,以使用 Abaqus 中的“壓力滲透”功能驗(yàn)證其性能。
Abaqus對橡膠密封圈和鋼管的限元模型進(jìn)行壓力滲透仿真
為了直觀的展示,首先創(chuàng)建了由兩種不同材質(zhì)組件的 3D 模型:綠色橡膠密封件和白色鋼管。這兩個組件均使用對稱支撐條件建模,并在一個或多個端部承受流體或氣壓。
壓力會穿透橡膠密封圈,直到接觸面之間的接觸壓力超過臨界值。防止進(jìn)一步穿透。
材料特性:
橡膠密封圈采用簡單的超塑性材料模型,其參數(shù)為 C10 = 0.752 和 D1 = 0.026。
通過施加剛體約束,將鋼管建模為剛體。
網(wǎng)格劃分:
橡膠密封圈和鋼棒采用六角單元劃分網(wǎng)格,在Abaqus/Standard計(jì)算中指定單元類型為C3D8R。
接觸特性:
切向行為:摩擦系數(shù)為 0.1
正常行為:硬接觸
鋼管橡膠密封圈的變形分析
第1步:將鋼棒向下移動10mm,插入橡膠密封圈中。
第2步:現(xiàn)在我們模擬加壓流體從上方進(jìn)入建模區(qū)域并對橡膠密封圈的暴露部分施加壓力的效果。
第3步:將鋼管在水平方向移動3mm,由于接觸條件的改變,使流體壓力部分被阻斷,部分被導(dǎo)通。
定義壓力-滲透相互作用
“接觸對”方法用于模擬可能發(fā)生壓力滲透的接觸。
現(xiàn)在可以選擇先前定義的接觸相互作用,這樣主界面和次界面就已經(jīng)知道了。必須在主表面和次表面上定義一個區(qū)域,在該區(qū)域上最初施加壓力。次表面上的區(qū)域是強(qiáng)制性的。
在這種情況下,選擇下圖中中箭頭所指的區(qū)域。然后壓力自動滲透到第一個密封齒。
同時還必須指定流體壓力。這里指的是施加在非接觸區(qū)域的壓力。在本例中,選擇 0.05 MPa 的流體壓力,該壓力在模擬步驟中逐漸增加。
“臨界接觸壓力”決定了鄰接表面之間的接觸壓力的臨界值,從而防止進(jìn)一步滲透。
最后,為橡膠密封圈指定自接觸。
可以看到由于壓力滲透而對表面施加的壓力。軟件顯示了施加壓力的位置及其當(dāng)前大小。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
如下圖所示,流體壓力可以通過接觸來停止。
管道橫向移動后,左側(cè)第一個密封齒的接觸面分離,從而使壓力滲透到右側(cè)。但仍然可以維持密閉性能。
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