基于APDL语言的O形密封圈应力分析

肖 超，邵 腾，杨护红

（山西航天清华装备有限责任公司 技术中心，山西 长治 046000）

0 引言

O 形密封圈由于其体积小、结构紧凑简单、生产成本低廉、密封性能良好、摩擦阻力小等特点被广泛使用在端面及其零件内外径结构切合面，如活塞缸[1]。诸多学者对密封结构、密封槽宽度、压缩量等不同工况条件下的密封圈密封性能进行了研究[2-5]。

分析发现，目前的研究多数侧重于对O 形密封圈密封性的有限元分析以及不同沟槽结构参数、不同油液压力作用对密封圈变形和受力情况的影响[5]。而在方案设计初期，如何快速获得不同结构参数下O 形密封圈的密封特性并进行方案择优则成为难点。

为此，本文基于ADPL 语言，建立O 形密封圈有限元模型，并对其在预压缩及油液压力综合作用的情况下进行密封性仿真分析，得到O 形密封圈变形情况、力学性能和密封性能。通过与文献1 的仿真结果进行对比分析，验证了该方法的可行性，对类似的密封仿真研究具有一定的理论指导意义。

1 基于APDL 语言的参数化建模流程

参数化设计语言APDL（Parametric Design Language）使设计人员对O 形密封圈选型、密封槽结构设计、预压缩率及油液压力参数的选取具有绝对控制权，通过修改相关参数，可以快速得到不同尺寸系列的O 形密封圈密封性能，具体分析步骤如图1 所示。

图1 基于APDL 的参数化建模流程

2 O 形密封圈参数化建模

2.1 几何结构

O 形密封圈直径为7mm，密封槽尺寸为9.7 mm×5.72 mm，详细尺寸参数见图2。

图2 O 形密封圈结构示意图

建立几何模型时，对O 形密封圈、活塞和活塞杆进行如下假设：活塞和活塞杆视为刚体，只考虑O 形密封圈的变形。

用APDL 表达为：

2.2 材料参数

O 形密封圈选择丁腈橡胶，其弹性模量为14.04MPa，泊松比为0.499，此外，选用Mooney-Rivlin模型描述橡胶的力学性能[1]，两个参数值C10 和C01分别取1.87MPa、0.47MPa。

用APDL 表达为：

2.3 划分网格

采用TARGE169 单元和CONTA171 单元模拟O形密封圈与活塞、活塞杆的接触对，采用PLANE182单元划分O 形密封圈的网格，设置网格尺寸为0.3mm 并细化接触对之间的网格，其模型见图3。

图3 有限元模型示意图

用APDL 表达为：

2.4 载荷及边界条件

整个仿真分两步进行，第1 步为预压缩，第2 步为施加油液压力。

第1 步：采用相对位移法对O 形密封圈施加预压缩率为10%的预紧力，即约束活塞杆Y 向位移，X向位移0.7mm（模拟O 形圈初始压缩量），约束活塞X 向与Y 向位移，见图4。

图4 O 形密封圈施加第1 步约束的示意图

第2 步：对O 形密封圈一侧施加油液压力3MPa，用以模拟密封作用过程，见图5。

图5 O 形密封圈施加第2 步约束的示意图

3 结果分析

3.1 计算仿真结果

当初始压缩量为10%时（无油液压力作用），O形密封圈最大等效应力为2.099MPa（见图6）。

图6 预压缩情况下O 形密封圈等效应力云图

图7 为密封圈的接触压力云图，O 形圈与活塞杆密封面的最大接触压力为3.12MPa。

图7 预压缩情况下O 形密封圈接触压力云图

当初始压缩量为10%且O 形密封圈一侧作用有3MPa 油液压力时，密封圈最大等效应力为3.50MPa，见图8。

图8 预压缩+油液压力时O 形密封圈等效应力云图

图9 为密封圈的接触压力云图，O 形圈与活塞杆密封面的最大接触压力为6.30MPa。

图9 预压缩+油液压力时O 形密封圈接触压力云图

3.2 仿真结果验证

将O 形密封圈等效应力、接触压力结果与文献1 中的结果（见图10）对比分析可知，基于APDL 语言得到的虚拟样机仿真结果误差在工程允许范围内，证明了该方法求解结果的正确性。

图10 文献1 中O 形密封圈等效应力云图

3.3 不同预压缩率对密封特性的影响

通过修改预压缩率参数，可以快速获得不同预压缩率情况下的O 形密封圈Von Mises 应力仿真结果，见图11～图13。从图中可以看出：随着预压缩率的增加，O 形密封圈Von Mises 应力也逐渐增加。

图11 压缩率为10% 时O 形密封圈等效应力云图

图12 压缩率为15% 时O 形密封圈等效应力云图

图13 压缩率为20% 时O 形密封圈等效应力云图

3.4 系列O 形密封圈求解

修改第2 节中的O 形密封圈的结构参数及材料参数，可以快速获得不同结构尺寸、不同材料参数情况下的O 形密封圈仿真结果，这里不再一一尝试。

4 结语

本文基于APDL语言建立了O 形密封圈的参数化模型并对其在预压缩及油液压力综合作用的情况下进行密封性仿真分析，通过与理论结果的对比分析，证明了该方法的正确性，为用户直观、快速地获得O 形密封圈密封效果提供了一种新思路。