基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡胶密封圈有限元模拟

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来源：《智能制造》 2016年第2期

撰文/ 北京盛维安泰系统技术有限公司 李跃超

O 型橡胶密封圈因为价格便宜，制造简单，功能可靠，并且安装要求简单，O 形环是在机械设计中最常见的密封件。有

限元模拟手段可以对O 型橡胶密封圈的工况响应做出正确的描述，为设计工程师针对O 型橡胶密封圈的选择与密封性能是否

达标提供理论依据。

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。

5. 网格划分

二阶四面体实体单元，接触区域应用局部网格细化，

如图8 所示。

6. 分析属性设置

定义时间增量，启用大型位移公式，选择控制与迭代

方法，设置步进公差选择及选择解算器，如图9 所示。

7．分析结果后处理

提取应力云图，如图10 ～ 14 所示。

9. 线性静态分析

将提取反作用力、接触应力得到的反作用力作为已

知载荷输入到线性静态分析算例，作为载荷边界条件，同时不关注树脂零件的形变可以定义3 个树脂件为刚性，

如图17 ～ 19 所示。

四、结语

（1）模型的简化要准确表达所关注问题，不要想着一

个分析算例解决所有关注的问题，根据关注问题可以分步计

算模拟，当有限元计算的结果不能直接用来判断所关注问题，

是否可以找到分析得到的参数间接判断问题；（2）材料模

型的选择要符合实际工况下材料的响应变化；（3）针对O

型橡胶密封圈的密封性能判断可以根据密封圈压缩状态的接

触压力值做判断，接触压力大于密封区的压力时可以起到密

封要求。（4）提取非线性分析算例中的反作用力可以得到

完全压缩密封圈所需要的外力值。