气体快速减压橡胶失效计算模型建立及分析

发布时间：2024-05-23 00:11

　　当环境气体快速减压时,溶解于橡胶内部的气体无法快速析出而膨胀,使橡胶鼓包甚至破裂,导致密封失效。针对该问题,国内缺乏相关分析方法和模型。为此,提出了一种基于原始空穴缺陷的空心球物理模型,在考虑空心球空腔内气体膨胀导致空心球机械变形的基础上,耦合计算由橡胶基体溶解气体扩散导致的空心球空腔气体压力变化,从而计算得到空心球内壁应变随时间的变化值,并判断其是否达到破裂界限。基于该模型,利用Abaqus建模+Python编程,针对井下封隔器在用NBR材质O形圈,开展了不同压力、泄压速度及缺陷位置等因素对最大名义应变的影响分析。分析结果表明,随着压力、泄压速度及缺陷深度的增加,应变增大,快速减压时失效更易发生,这与室内试验结果相一致。该物理模型及有限元分析模型的建立为高压、高含气工况橡胶密封件的优选和安全性评估提供了有效手段。

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【部分图文】：

图1块状试样橡胶鼓包及破裂照片

当外界压力突然降低时，溶解在橡胶内部的气体无法及时从橡胶基体中渗出，从而在橡胶内部膨胀，导致橡胶鼓包甚至破裂。图1为块状试样橡胶鼓包及破裂照片。1.2模型建立

图2橡胶试样电镜扫描照片

对在用NBR材质橡胶截面进行电镜扫描，如图2所示，可以看到有大量的空穴缺陷。这些空穴的存在，为邻近橡胶基体内气体扩散和渗透提供了气体来源或成为目的地。在快速减压过程中，这些空穴首先膨胀、破裂，形成最初的小裂纹，相互贯通后形成大裂纹，从而引起整个橡胶密封件失效。实际观测到的空穴缺陷....

图3空心球模型

虽然扫描电镜检测显示橡胶基体中有大量的微空穴缺陷，在减压过程中这些空穴缺陷膨胀破裂并有可能聚合形成大气泡或裂缝，但本文只针对单个空穴缺陷开展研究，重点描述原始微观空穴破裂前的形态变化过程及机理，并给出破裂失效的临界点。在外半径R=5.3mm的O形圈内部取一半径Rin=5μm的空....

图4空腔膨胀破裂时不同壁厚空心球外表面位移

空心球半径Rex相对于空穴要足够大，以保障在模拟分析时，空心球内腔膨胀不影响外表面或对外表面的影响足够小。现有橡胶材料单轴拉伸试验结果表明，其断裂时伸长率即最大名义应变为3.65。计算不同壁厚下空心球内表面变形达到最大名义应变时外表面对应的位移表明，随着壁厚的增大，外表面位移减小....

本文编号：3980730