旋轉油封裝配過程仿真模擬計算

摘 要：旋轉油封的作用是在軸高速旋轉的條件下把油密封在油封的一側。本文運用ANSYS分析軟件對軸與油封裝配過程進行了模擬計算。計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。
關鍵詞：旋轉油封 裝配過程 模擬

1 前言

減震器油封工作時裝配在轉動軸上，裝配過程要有一定的過盈配合。為了進一步分析產品在不同工況下密封部位受力及變形情況，先要對裝配過程進行有限元計算。

2 減震器油封結構圖

減震器油封為一圓環狀，主要由橡膠環組成，內有金屬骨架，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 減震器油封結構圖

3 材料參數

3.1 金屬骨架和裝配軸

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

3.2 橡膠參數

采用同樣的橡膠材料，制作拉伸、壓縮和剪切試件，進行典型力學實驗，試驗結果如圖2所示：

圖2 橡膠的典型力學實驗曲線

根據試驗結果，采用Mooney-Rivlin五參數模型，計算得到材料參數如下:
C10=-3.59, C01=7.95, C20=-0.422, C11=2.16, C02=-0.0256

4 有限元計算

4.1 有限元模型及邊界條件

由于油封的軸對稱性，有限元模型采用軸對稱結構，如圖1所示。油封的左側橫向約束，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。由于過盈配合的原因，裝配過程中是一個先緩慢接觸然后逐漸擠入的過程。

4.2 網格劃分

金屬部分采用平面42號單元，橡膠部分采用平面183號單元。單元數1547，節點數2875，單元劃分如圖3所示。

圖3 模型網格劃分圖

4.3 接觸分析

本題目是一個典型的接觸問題。顯然，由于金屬的剛度遠大于橡膠的剛度，金屬的接觸面作為目標面（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，裝配過程中是一個先緩慢接觸然后逐漸擠入的過程。如果按常規計算，給定裝配軸一個向上的位移讓兩個體實現從分開到接觸的過程的話，就會發現在剛好接觸的時候很難收斂。這是因為當目標面以一定的速度剛好接觸接觸面的時候，目標面會給接觸面一個沖量，由于接觸面本身的彈性作用，它會發生“震顫”，以至于目標面和接觸面剛好接觸上之后的很短的時間里它們之間會出現“接觸-分開-接觸-分開”的“震顫”現象，所以這樣很難收斂。

為了避免“震顫”的產生，我們采取分步計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，給裝配軸一個向上的位移，這個位移剛好讓它沒有接觸上接觸面。也就是說，這時候目標面和接觸面之間的縫隙非常小。這一步可以設置步長大一點。

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

第三步，繼續給裝配軸一個微小的向上位移，這時可以撤掉輔助壓力，這是因為目標面和接觸面已經接觸上。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，減小分布的步長。

5 計算結果及分析

根據以上分析接觸問題的方法，對減震器油封的裝配過程進行了有限元模擬。這個模擬過程總時間為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時的等效應力圖，圖6是257號節點（目標面上的一點）隨時間變化的Y向應力圖，從圖中可以看出，隨著接觸的不斷進行，這個節點受擠壓力不斷增大（對應曲線下降段），當道時間1.76s時壓力達到最大0.097MPa，隨后應力不斷減小（對應曲線上升段），這是因為隨著裝配不斷進行接觸點已經偏移了此點。

圖4 時間為1秒時結構的等效應力圖

圖5 時間為2秒時結構的等效應力圖

圖6 257號節點隨時間變化的Y向應力圖

從計算結果來看，本文采用的分步和施加輔助力的方對解決接觸問題是比較實用且有效的的。