旋轉(zhuǎn)油封裝配過程仿真模擬計(jì)算

旋轉(zhuǎn)油封裝配過程仿真模擬計(jì)算

摘 要：旋轉(zhuǎn)油封的作用是在軸高速旋轉(zhuǎn)的條件下把油密封在油封的一側(cè)。本文運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)軸與油封裝配過程進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算中采用了多步分析和施加輔助壓力的方法成功解決了鋼與橡膠接觸分析中的“震顫”問題。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)油封 裝配過程 模擬

1 前言

減震器油封工作時(shí)裝配在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，裝配過程要有一定的過盈配合。為了進(jìn)一步分析產(chǎn)品在不同工況下密封部位受力及變形情況，先要對(duì)裝配過程進(jìn)行有限元計(jì)算。

2 減震器油封結(jié)構(gòu)圖

減震器油封為一圓環(huán)狀，主要由橡膠環(huán)組成，內(nèi)有金屬骨架，它和裝配軸橫截面形狀如圖1所示。其中A部分（綠色）是金屬骨架；B部分（綠色）是裝配軸，C部分（粉紅色）是橡膠材料，也是減震器的最主要部分。盡管裝配軸的半徑很大，但是由于裝配軸的模量遠(yuǎn)大于橡膠的模量，在此只用了很小的一塊代表裝配軸。

圖1 減震器油封結(jié)構(gòu)圖

3 材料參數(shù)

3.1 金屬骨架和裝配軸

它們用線彈性材料模型，材料參數(shù)選取如下：
彈性模量：210GPa；泊松比： 0.3；

3.2 橡膠參數(shù)

采用同樣的橡膠材料，制作拉伸、壓縮和剪切試件，進(jìn)行典型力學(xué)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

圖2 橡膠的典型力學(xué)實(shí)驗(yàn)曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用Mooney-Rivlin五參數(shù)模型，計(jì)算得到材料參數(shù)如下:
C10=-3.59, C01=7.95, C20=-0.422, C11=2.16, C02=-0.0256

4 有限元計(jì)算

4.1 有限元模型及邊界條件

由于油封的軸對(duì)稱性，有限元模型采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。油封的左側(cè)橫向約束，底面縱向約束，其它地方自由。也就是說裝配過程中油封固定，裝配軸自下向上緩慢移動(dòng)。由于過盈配合的原因，裝配過程中是一個(gè)先緩慢接觸然后逐漸擠入的過程。

4.2 網(wǎng)格劃分

金屬部分采用平面42號(hào)單元，橡膠部分采用平面183號(hào)單元。單元數(shù)1547，節(jié)點(diǎn)數(shù)2875，單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

4.3 接觸分析

本題目是一個(gè)典型的接觸問題。顯然，由于金屬的剛度遠(yuǎn)大于橡膠的剛度，金屬的接觸面作為目標(biāo)面（Target Face）而橡膠的接觸面作為接觸面（Contact Face）。由于過盈配合的原因，裝配過程中是一個(gè)先緩慢接觸然后逐漸擠入的過程。如果按常規(guī)計(jì)算，給定裝配軸一個(gè)向上的位移讓兩個(gè)體實(shí)現(xiàn)從分開到接觸的過程的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在剛好接觸的時(shí)候很難收斂。這是因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)面以一定的速度剛好接觸接觸面的時(shí)候，目標(biāo)面會(huì)給接觸面一個(gè)沖量，由于接觸面本身的彈性作用，它會(huì)發(fā)生“震顫”，以至于目標(biāo)面和接觸面剛好接觸上之后的很短的時(shí)間里它們之間會(huì)出現(xiàn)“接觸-分開-接觸-分開”的“震顫”現(xiàn)象，所以這樣很難收斂。

為了避免“震顫”的產(chǎn)生，我們采取分步計(jì)算和施加輔助力的方法來解決此問題。這種方法分三步。

第一步，給裝配軸一個(gè)向上的位移，這個(gè)位移剛好讓它沒有接觸上接觸面。也就是說，這時(shí)候目標(biāo)面和接觸面之間的縫隙非常小。這一步可以設(shè)置步長大一點(diǎn)。

第二步，給裝配軸一個(gè)微小的向上位移，這個(gè)位移必須足以讓它們可以接觸上，同時(shí)在圖1中標(biāo)有“1”的線段施加一個(gè)很小的輔助壓力。這個(gè)壓力應(yīng)該有使目標(biāo)面和接觸面靠攏的趨勢(shì)，也就是為了不讓“震顫”中的“分開”段出現(xiàn)。這一步要增大分步數(shù)，減小分步的步長。

第三步，繼續(xù)給裝配軸一個(gè)微小的向上位移，這時(shí)可以撤掉輔助壓力，這是因?yàn)槟繕?biāo)面和接觸面已經(jīng)接觸上。如果題目中還有其它需要施加的力，這一步就可以加上了，本步也要增大分步數(shù)，減小分布的步長。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)以上分析接觸問題的方法，對(duì)減震器油封的裝配過程進(jìn)行了有限元模擬。這個(gè)模擬過程總時(shí)間為2秒：0-0.2秒為第一步，0.2-1.0秒為第二步，1.0-2.0為第三步。圖4和圖5分別是1.0s 和2.0s時(shí)的等效應(yīng)力圖，圖6是257號(hào)節(jié)點(diǎn)（目標(biāo)面上的一點(diǎn)）隨時(shí)間變化的Y向應(yīng)力圖，從圖中可以看出，隨著接觸的不斷進(jìn)行，這個(gè)節(jié)點(diǎn)受擠壓力不斷增大（對(duì)應(yīng)曲線下降段），當(dāng)?shù)罆r(shí)間1.76s時(shí)壓力達(dá)到最大0.097MPa，隨后應(yīng)力不斷減?。▽?duì)應(yīng)曲線上升段），這是因?yàn)殡S著裝配不斷進(jìn)行接觸點(diǎn)已經(jīng)偏移了此點(diǎn)。

圖4 時(shí)間為1秒時(shí)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力圖

圖5 時(shí)間為2秒時(shí)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力圖

圖6 257號(hào)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的Y向應(yīng)力圖

從計(jì)算結(jié)果來看，本文采用的分步和施加輔助力的方對(duì)解決接觸問題是比較實(shí)用且有效的的。