基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡胶密封圈有限元模拟

　　一、问题描述

　　如图1所示，部件的剖面为部件装配的最终状态，支柱零件的高度与黑色树脂件的自然高度一致，螺栓使钣金板与支柱零件连接，钣金板零件的卡位压紧黑色树脂件，树脂件压紧O型橡胶密封圈。关注问题：（1）O型橡胶密封圈压缩状态的接触压力；（2）钣金板在橡胶圈的压缩状态，受力的形变量。

　　二、模型简化处理

　　有限元分析模拟就是将实际的工况问题用适当的模型描述。几何体模型与分析软件设置属性、边界条件一起用有限的单元网格来离散，构建出一个数值计算模型。从实际分析的问题到一个合适、准确的数值计算模型，就是模型的前处理，如图2所示。

　　因为涉及到橡胶材料的接触变形，这是材料非线性、接触、大形变的非线性分析类型问题。其次螺母的锁紧过程是缓慢的，可以定性为静态分析问题。如果直接运用静态非线性那么计算规模会很大。根据关注问题需要，可以设置两个算例，一个静态非线性分析得到密封圈接触压力、反作用力，如图3所示。一个静态线性算例分析钣金的变形。根据分析关注信息与分析类型判断选择最终模型简化如图4所示。

　　三、分析设定

　　1.静态非线性分析

　　因为材料属性，结构的特点，工况状态360°圆周对称。选择轴对称2D简化算例，如图5所示。

　　2.材料属性定义

　　树脂件、钢板使用线性弹性各向同行材料模型，O型密封圈使用超弹性-Mooney Rivlin材料模型。

　　Simulation提供超弹性材料模型用于为类橡胶材料建模，其中的解会涉及大变形。假设材料为非线性弹性、同向性且不可压缩。这种材料的有限元素公式由于材料的不可压缩性而计算困难。根据压缩性在应变能密度函数中的引入，可以使用一种惩罚方法将附加自由度组合到整体刚度矩阵中。引入惩罚函数后将应变能函数从不可压缩修改为接近不可压缩。软件提供支持超弹性-Mooney Rivlin、Ogden、Blatz-Ko模型。

　　3.定义接触条件

　　选择密封圈与两零件直接为曲面到曲面的无穿透接触，如图6所示。

　　4.边界条件施加

　　固定约束树脂零件下边线，钣金零件施加位移约束是O型密封圈压紧，如图7所示。