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橡胶密封制品的有限元模拟与结构优化

作　者: 徐忠丽
导　师: 赵树高
学　校: 青岛科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: CAD/CAE 有限元分析(FEA) 橡胶密封制品O形密封圈油封
分类号: TB42
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文首先回顾了CAD／CAE技术，以及CAD／CAE技术的现状和趋势，发现传统的产品设计模式已经不能满足现代生产的需要，CAE技术已经成为整个设计过程的一部分，并发挥着关键作用。橡胶由于其特殊的性能和低廉的价格被应用于各行各业，起着重要作用，所以对橡胶制品进行有限元分析有着重要的意义。橡胶密封件广泛应用于机械设备中，其性能的好坏直接影响设备的正常工作，有时密封件失效会引起重大事故。橡胶密封件的设计涉及到固体力学、摩擦学、高分子材料科学、液体侵蚀以及机械制造工艺等多方面的理论知识，因而对橡胶密封件在安装和使用中的变形及密封界面上接触应力的精确研究，在理论上存在较大的困难。但随着计算机性能的提高，数值计算方法、材料科学以及大型有限元分析软件的发展，使研究人员利用非线性有限元软件进行密封件在安装和使用中高度非线性接触问题成为现实，并取得了一些研究成果。橡胶O形圈和油封是最常见的密封件，它们以其独特的结构和性能优势被广泛应用于许多机械设备中，为此本文利用大型非线性有限元分析软件MSC.MARC，建立了橡胶O形密封圈和油封轴对称有限元模型，对其安装和使用过程中的接触变形、接触宽度上的接触应力分布等进行了分析，从而为进一步可靠设计、优化橡胶密封件提供了理论依据。橡胶是一种特殊的材料：承受大的变形、应力应变非线性行为、粘弹性行为和不可压缩性，对其分析需要特殊的材料模型和有限元工具。本文对橡胶非线性材料的超弹性模型、基础实验、橡胶非线性有限元理论进行了研究。以实例的形式从力学等方面对橡胶密封制品进行了有限元分析，研究结果表明有限元技术可以很好的模拟橡胶制品的实际工况，对橡胶制品的力学性能进行预测，对其可靠性进行判断，从而论证了有限元在橡胶制品优化设计方面的可行性，为今后橡胶制品的结构、配方、模具优化，耐久性和新产品开发奠定了基础。通过对橡胶制品的各个方面的有限元分析，有助于增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题；经过分析计算，采用优化设计方案，降

全文目录

第一章绪论  14-34
  1.1 CAD／CAE技术  14-21
    1.1.1 CAD技术概述  14-16
    1.1.2 CAE技术概述  16-17
    1.1.3 CAD／CAE技术现状和趋势  17-19
    1.1.4 目前流行的CAD／CAE软件  19-20
    1.1.5 CAD／CAE在现代生产中的应用  20-21
  1.2 有限元方法简介及计算机模拟技术的发展现状  21-29
    1.2.1 有限元技术简介  21-22
    1.2.2 有限元技术的原理  22-23
    1.2.3 有限元技术的发展  23
    1.2.4 有限元法的种类和进展  23-26
    1.2.5 计算机模拟技术的发展  26
    1.2.6 数值模拟进入实用阶段  26-27
    1.2.7 有限元分析软件MARC  27-29
  1.3 目前国内外对橡胶材料的有限元分析状况  29-30
  1.4 本课题的研究目的、内容和意义  30-34
    1.4.1 课题目的  30-31
    1.4.2 课题内容  31-32
    1.4.3 课题意义  32-34
第二章橡胶类材料的非线性有限元理论及方法  34-46
  2.1 有限元模型的分类  35-36
  2.2 建模方法  36-37
  2.3 超弹性接触问题模型的选取和橡胶材料基础实验  37-41
    2.3.1 超弹性接触问题模型的选取  37-40
    2.3.2 橡胶材料基础试验  40-41
  2.4 施加边界条件  41-42
  2.5 提交作业并求解  42-45
    2.5.1 非线性有限元分析的求解流程  42-44
    2.5.2 非线性材料行为  44
    2.5.3 粘弹性  44-45
    2.5.4 模型核实  45
  2.6 后置处理  45-46
第三章橡胶O形密封圈有限元模拟  46-58
  3.1 引言  46
  3.2 O形密封圈的密封原理  46-47
  3.3 常用橡胶种类的特性  47-48
  3.4 实验设备和条件  48-49
  3.5 O形圈有限元模型的建立  49-50
    3.5.1 O形圈有限元网格模型的建立  49-50
    3.5.2 材料模型的建立  50
  3.6 接触问题  50-51
  3.7 边界条件及加载方法  51
  3.8 结果及分析  51-54
  3.9 实效准则和失效判据  54-57
    3.9.1 最大接触压应力(σ_x)_(max)  54-55
    3.9.2 挤入量  55-56
    3.9.3 剪切应力  56-57
  3.10 本章小结  57-58
第四章油封的有限元分析  58-82
  4.1 引言  58-63
    4.1.1 油封进展  58-59
    4.1.2 油封密封能力  59-63
  4.2 油封密封机理  63-69
    4.2.1 密封机理  63-67
    4.2.2 油封分类  67-69
    4.2.3 其它类型的旋转密封  69
  4.3 材料选择  69-70
  4.4 实验设备和条件  70-71
  4.5 油封的有限元模型的建立  71
  4.6 模型选取和参数拟合  71-73
  4.7 边界条件及加载方法  73
  4.8 结果及分析  73-78
  4.9 改变条件及结果比较  78-79
  4.10 失效准则和失效判据  79-80
    4.10.1 最大接触压应力(σ_x)_(max)  79-80
    4.10.2 剪应力  80
  4.11 本章小结  80-82
第五章油封的结构设计及优化  82-92
  5.1 油封径向力与各部位尺寸的设计  82-86
  5.2 油封弹簧设计  86-87
    5.2.1 弹簧材料  86
    5.2.2 弹簧形状及各部分名称  86
    5.2.3 弹簧的表示方法  86-87
  5.3 油封结构优化  87-90
    5.3.1 有限元分析结果  87-88
    5.3.2 汕封结构  88-90
  5.4 本章小结  90-92
结论  92-94
  总结  92-93
  展望  93-94
参考文献  94-98
致谢  98-99
附录：攻读硕士期间发表及完成论文  99-100
独创性声明  100
关于论文使用授权的说明  100

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