基于响应曲面法的油封结构参数优化设计
发布时间：2020-04-06 13:11
【摘要】：利用有限元分析软件ABAQUS建立旋转轴唇形油封的二维轴对称模型,并分析接触宽度、前后唇角、过盈量以及腰厚等结构参数对油封密封性能的影响。研究结果表明:在研究的结构参数范围内,油封的接触压力分布均满足密封要求;且油封唇口最大接触压力随接触宽度值、前唇角和过盈量的增大而减小,随油封腰部厚度的增加而增大,随后唇角的增大先出现明显增大进而趋于平缓。基于响应曲面法以获得油封面最大接触压力作为优化目标,对旋转轴唇形油封的结构参数进行优化设计,得到最佳的优化组合方案。
【图文】：
接触宽度及过盈量对其密封性能的影响进行了分析研究，并基于响应曲面法对旋转轴唇形油封的结构参数进行优化设计，为唇形密封件的结构设计和初始安装提供理论指导。1旋转轴唇形油封有限元模型的建立1.1几何模型的建立及网格的划分研究选取的旋转轴唇形油封为带弹簧的内包金属骨架型，其型号为60mm×80mm×8mm，油封的主体材料是丁腈橡胶(NBＲ)。图1所示为初始安装的旋转轴唇形密封结构示意图，密封圈与旋转轴为过盈装配，其中α为油侧唇角，β为空气侧唇角，Ｒ为未变形时油封唇尖部位与弹簧槽中心的轴向距离，也称为唇口接触宽度。图1唇形油封结构图Fig1Ｒotarylipsealstructurediagram为便于建模仿真和研究分析，有限元分析时对密封材料的特性以及边界约束条件进行如下假设:(1)认为旋转轴唇形油封的橡胶材料不可压缩;(2)油封密封圈和旋转轴及其接触边界区域均按轴对称问题解决;(3)由于钢构件构成的唇形油封骨架的硬度是橡胶材料的几万倍，因此不考虑其变形情况，即旋转轴与金属骨架视为刚体，只需对橡胶部分进行网格划分;(4)由于其约束边界位移导致唇形油封唇口部位产生径向压缩;(5)为了分析方便，不考虑润滑油温度的改变对唇形油封密封性能的影响。图2示出了划分好网格的旋转轴唇形油封的二维轴对称模型，有限元模型中旋转轴用线条代替，其余部分采用自动划分的四边形网格。为了获得旋转轴与油封唇口之间更为细致的接触应力及其分布情况，从而得到精确的分析结果，油封唇口部位网格的划分比周围区域细密。图2网格划分后的轴对称模型Fig2Axisymmetricmodelaftermeshed1.2材料模型的建立油封的主体材料是丁腈橡胶(NBＲ)，属于高度非线性的复合材料，具有非线性的应力－应变关系。文中采用两参数的Mooney-Ｒivlin
结构图Fig1Ｒotarylipsealstructurediagram为便于建模仿真和研究分析，有限元分析时对密封材料的特性以及边界约束条件进行如下假设:(1)认为旋转轴唇形油封的橡胶材料不可压缩;(2)油封密封圈和旋转轴及其接触边界区域均按轴对称问题解决;(3)由于钢构件构成的唇形油封骨架的硬度是橡胶材料的几万倍，因此不考虑其变形情况，即旋转轴与金属骨架视为刚体，只需对橡胶部分进行网格划分;(4)由于其约束边界位移导致唇形油封唇口部位产生径向压缩;(5)为了分析方便，不考虑润滑油温度的改变对唇形油封密封性能的影响。图2示出了划分好网格的旋转轴唇形油封的二维轴对称模型，有限元模型中旋转轴用线条代替，其余部分采用自动划分的四边形网格。为了获得旋转轴与油封唇口之间更为细致的接触应力及其分布情况，从而得到精确的分析结果，油封唇口部位网格的划分比周围区域细密。图2网格划分后的轴对称模型Fig2Axisymmetricmodelaftermeshed1.2材料模型的建立油封的主体材料是丁腈橡胶(NBＲ)，属于高度非线性的复合材料，具有非线性的应力－应变关系。文中采用两参数的Mooney-Ｒivlin模型来描述橡胶材料的这种应力－应变关系［7－8］，其应变能函数为W=C10(I1－3)+C01(I2－3)应力－应变关系即为δ=，
本文编号：2616554
【图文】：
接触宽度及过盈量对其密封性能的影响进行了分析研究，并基于响应曲面法对旋转轴唇形油封的结构参数进行优化设计，为唇形密封件的结构设计和初始安装提供理论指导。1旋转轴唇形油封有限元模型的建立1.1几何模型的建立及网格的划分研究选取的旋转轴唇形油封为带弹簧的内包金属骨架型，其型号为60mm×80mm×8mm，油封的主体材料是丁腈橡胶(NBＲ)。图1所示为初始安装的旋转轴唇形密封结构示意图，密封圈与旋转轴为过盈装配，其中α为油侧唇角，β为空气侧唇角，Ｒ为未变形时油封唇尖部位与弹簧槽中心的轴向距离，也称为唇口接触宽度。图1唇形油封结构图Fig1Ｒotarylipsealstructurediagram为便于建模仿真和研究分析，有限元分析时对密封材料的特性以及边界约束条件进行如下假设:(1)认为旋转轴唇形油封的橡胶材料不可压缩;(2)油封密封圈和旋转轴及其接触边界区域均按轴对称问题解决;(3)由于钢构件构成的唇形油封骨架的硬度是橡胶材料的几万倍，因此不考虑其变形情况，即旋转轴与金属骨架视为刚体，只需对橡胶部分进行网格划分;(4)由于其约束边界位移导致唇形油封唇口部位产生径向压缩;(5)为了分析方便，不考虑润滑油温度的改变对唇形油封密封性能的影响。图2示出了划分好网格的旋转轴唇形油封的二维轴对称模型，有限元模型中旋转轴用线条代替，其余部分采用自动划分的四边形网格。为了获得旋转轴与油封唇口之间更为细致的接触应力及其分布情况，从而得到精确的分析结果，油封唇口部位网格的划分比周围区域细密。图2网格划分后的轴对称模型Fig2Axisymmetricmodelaftermeshed1.2材料模型的建立油封的主体材料是丁腈橡胶(NBＲ)，属于高度非线性的复合材料，具有非线性的应力－应变关系。文中采用两参数的Mooney-Ｒivlin
结构图Fig1Ｒotarylipsealstructurediagram为便于建模仿真和研究分析，有限元分析时对密封材料的特性以及边界约束条件进行如下假设:(1)认为旋转轴唇形油封的橡胶材料不可压缩;(2)油封密封圈和旋转轴及其接触边界区域均按轴对称问题解决;(3)由于钢构件构成的唇形油封骨架的硬度是橡胶材料的几万倍，因此不考虑其变形情况，即旋转轴与金属骨架视为刚体，只需对橡胶部分进行网格划分;(4)由于其约束边界位移导致唇形油封唇口部位产生径向压缩;(5)为了分析方便，不考虑润滑油温度的改变对唇形油封密封性能的影响。图2示出了划分好网格的旋转轴唇形油封的二维轴对称模型，有限元模型中旋转轴用线条代替，其余部分采用自动划分的四边形网格。为了获得旋转轴与油封唇口之间更为细致的接触应力及其分布情况，从而得到精确的分析结果，油封唇口部位网格的划分比周围区域细密。图2网格划分后的轴对称模型Fig2Axisymmetricmodelaftermeshed1.2材料模型的建立油封的主体材料是丁腈橡胶(NBＲ)，属于高度非线性的复合材料，具有非线性的应力－应变关系。文中采用两参数的Mooney-Ｒivlin模型来描述橡胶材料的这种应力－应变关系［7－8］，其应变能函数为W=C10(I1－3)+C01(I2－3)应力－应变关系即为δ=，
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