1、分类号：密级：丁H，弓7脑 单位代码：10422学 号：加哕俗彩盼篓办誊硕士学位论文论文题目：jb仓s 7，5鼬p矽绉豺阐白镛理完分忻岫；A n姆s o专弋k!电乩一3 Mrjt。一础。阳作者 姓 名 幽圣学 院 名 称 燃型邋专业 名 称生监邀鱼型丝指导教师螽望自t彳灶合作 导 师冲随年S只勺1。_l鼯L_1-爷J1)?凌京黜霹j嘲j。3：一川i。_1她妇融。士i”懿鬟浅擗妇袖和咔-辱， “一。 七j唧o-斗生鱼彰疆_“， ：“赫I|i簿I|；!润-”：?骶啊姆境j 7；!释棚础删酬醭蕊黼耐t：!媳辫 l；：_瓣。撼j燮q m!_1-，。，-j-：f0轴：i黼；埔jI -J对I蹦!J-=如“
2、名市 i。I。IL=一lj_隰：-o !”。j懑i，i、，i；fw嘲喇渊辅鬻黔瓣辫懿熊州辫一瑶岜褥她“川鹰孵一，=_jd瑚嚣型辩螗一吐慧rrnk_j节特-1，t-4u1i”4擂rL审。卫F弹一扎k矿，m“忡出F白，m瓣抄融氢i_一料0l_蜘强瓣帕”：j一_，h如0。黔妊Dissertation Submitted for the Application ofMasterS Degree of EngineeringAnsys Analysis of The Sealing Performanceof OSealing RingCandidate： XU Tongi iang-一Specialt
3、y：Machinery Manufacturing and AutomationSupervisor：ProfYue Mingj unShandong UniversityMay 24，201 20峙I唧习帮-“”：0。：粥l+獬蹦-镧-一?r_l札一I妇小11110一港嘲幽蝴。4 1-潆1。t社盼一函豳筘瓴矗础lj；：灞曩-基lp-f#j簿懈一_-、。?龇。以舟?“；俯燃：。”御鹕硼翮 ：丑0： _。IIII 4。?pP一一。-i11l舅舅舅裂濑警磐簿wHP“黔H，-i。p、i，世r孵i_一Jt_Lii订舟黔卵键雾藤一”im崎d叶1_北_蟊鹾麟、“三叭H阳臂W”Jr“”“I原创性声明本人郑重
4、声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：勉睑 日 期：边垒：互：丛关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵
5、守此规定)论文作者签名：翅这望务师签骜勉期：麦垒堂。fJ中姻隳鞣禳鞭爨隳一：i。臀， 鞯。rl冁-：roi 。、j妒童簿；翠鬈i孵i嚣簟矗li?一-一。|1i，。l。：、1 l_、，：。“-jo 。i J。j!_一。I。一 。静釉 觏o o：_一。_一- -jllBl濯啊_。三：麓。二o。-甜 Ii呶囊 j1 IL-L-IW 瞪0置馘誊蛰_：二-置o一j“Lii趟磁釜删hI_，嗣乱 ；_：鞭：汁。一i秘要”“：。 。 一1 E | 孽一。-aII鼾埕盛p：一默一争 、!j。 喇 暴?鼍：8I1。III，是l 觋l一奠。蔓j f-哪 i0， - 。屺 m 憋抽一口“卟，i、-。 L “函hB础恼
6、缸j o、。、茹 _：l 融】。叠巍峨。黛艚囊。! 麟 粼I。嘲目录目录摘要IABSTRACTIII第l章绪论111课题研究的背景112有限元法研究橡胶密封圈的意义213国内外研究现状3131国外研究现状3132国内研究现状514本课题的主要工作715本章小结8第2章接触问题的有限元分析921接触问题概述一922接触分类1 O221刚体一柔体的接触10222柔体一柔体的接触1023 ANSYS接触分析功能1 024接触单元11241点一点接触单元12242点一面接触单元12243面一面接触单元1 3244接触对1425接触非线性1 526接触分析的步骤1627有限元法简介1628本章小结1 7
7、第3章橡胶材料的有限元分析1 9山东大学硕士学位论文31橡胶材料的性质19311几何非线性1 9312材料非线性20313接触非线性2032超弹性理论2133有限元列式23331橡胶问题的应力23332驻值势能原理24333有限元列式2634几个基本假设2735有限元软件ANSYS简介2836本章小结29第4章。形密封圈的有限元分析3 141 O形密封圈介绍31411 O形密封圈简介3l412 O形密封圈特点32413 O形密封圈压缩率32414 O形密封圈失效3342实体、简化模型的建立33421实体模型33422简化模型3443有限元模型图3544初始边界条件3645分析过程3646本章小
8、结44第5章。形密封圈的有限元分析结果4551范米塞斯应力4552接触压力45目录53当油压一定时的分析结果46531变形情况46532范米塞斯应力情况47533接触压力情况4954当压缩率一定时的分析结果50541变形情况50542范米塞斯应力情况52543接触压力情况5455综合分析结果55551最大范米塞斯应力55552最大接触压力5756本章小结59结论与展望61参考文献63致谢671，i。n。-f j?l哪制-聃嘲告2 i-“：。，j-。州辘一酶_，l廿j濯婶一t j：越鲋翠赠第啊平砷伊+。j o雕甲删l【 _釜o-tj：一叠主黼唔：脚僦r蕊臻黪瑙lIIt-_hr：1p弭：七一釉落一
9、t。 。、矗!螬，珏HuujL蕊“_叩矗盼、11j1哺1蘩。爹nM脚醇僦冁黼、蠕鱼馏扩m器舭：i_，d一，1妇函。i黪睽0k蛐札w扎酐l。孽濯-_t-一辨兽鹭“_二耐叫矗钔“硼舟国叫嘲_Ii三b骷kh。讲“川丑二矾_罩十慨1_1，屯一垃i，rh_I=J嫡_尸i菇0-=靠t抽，CoNTENTSContentsAbstractIAbstractIIIChanpter 1 Introduction111 Research background112 The significance ofthe finite element analysis ofrubber seals113 The researc
10、h situation at home and abroad3131 The research situation at abroad3132 The research situation at home514 The main work ofthis thesis715 Chapter summary8Chapter 2 Finite element analysis of contact problems921 Overview of contact problems922 Contact classfication1 O221 Rigid body-soft body contact1
11、0222 Soft body-soft body contact1 023 ANSYS contact analysis function1 0：!4 Contact elements1 1：!41 Point-point contact element12242 Surfacepoint contact element1 2243 Surfacesurface contact element1 3：!44 Contact pair1425 Contact nonlinerity1 526 Contact analysis steps1 627 Introduction of finite e
12、lement1 6：!8 Chapter summary1 7Chapter 3 Finite element analysis of rubber materials1 9山东大学硕士学位论文31 The nature ofrubber materials19311 Geometric nonlinearity1 9312 Material nonlinerity20313 Contact nonlinerity2032 Hyperelastic theory2133 Finite element formulation233-31 Rubber stress23332 The statio
13、nary potential energy principle24：；：；3 Finite element formulation2634 Several basic assumptions2735 Introduction offinite element software ANSYS2836 Chapter summary29Chapter 4 Finite element analysis of the 0-ring3 141 Introduction ofthe O-ring3 1411 Brief introduction of the O-ring3 1412 Features o
14、fthe Oring32413 Compression ratio ofthe O-ring32414 Failure ofthe O-ring3342 Establish of solid models and simplified models33421 Solid model33422 Simplified model3443 Finite element model：；!；44 Initial and boundary conditions3645 Analysis process3646 Chapter summary44Chapter 5 Finite element anah7s
15、is results of the 0一ring45II51 Von Mises Stress4552 Contact pressure4553 Results ofthe analysis when the hydraulic is certain46CoNTENTS!；：；1 Deformation46532 Condition ofVon Mises Stress47533 Condition ofcontact pressure4954 Results of the analysis when the compression ratio is certain50541 Deformat
16、ion50542 Condition of Von Mises Stress52543 Condition ofcontact pressure5455 Results of comprehensive analysis55551 The maximumVon Mises Stress55552 The maximum contact pressure5756 Chapter summary59Conclusion and prospect6 1References63Acknowledgments67-lI：一摘要摘要液压传动已成为传动与自动控制系统中的一个重要组成部分，在工业、农业、国防、
17、军事等多个领域广泛应用。液压技术的发展与密封技术的进步是密不可分的，密封技术的发展对推动液压技术的发展起着重要的作用。论文首先简单介绍了当今国内外液压密封研究现状，指出了用有限元法研究密封圈密封性能的意义和优势。然后，确定了对O形密封圈的有限元分析本质上是对超弹性体的非线性接触问题的分析，进而确定了接触类型、接触单元以及表征橡胶材料的参数的模型，并对求解有限元列式的公式进行了推导。最后，借助于ANSYS软件，通过建立有限元模型、施加载荷、求解结果等步骤，得出在不同压缩率、不同油压状态下O形密封圈的变形情况以及力学情况，对各组数据进行对比分析，得出相关结论。成功地实现了对于O形密封圈的分析研究，
18、体现了用有限元法研究液压密封圈密封的性能具有准确、可靠、速度的特点和优势，同时此种研究方法和分析思路，同样也可以运用于其他类型的密封元件密封性能的分析研究。关键词：密封；有限元分析；O形密封圈；ANSYSh-IL豳kLI i|蛹n；i j峨燃ljriX潮山东大学硕j照蕊噌审册眺j瓣-；托-i。-嶂；、-一p-_l_-o瓣黜；燃J。_l一一懿婶_：1|。掣扣瓣麟!-5叫i-；：01|1-11、 LI?_0j，1-一：_ j-一燃隧J亡j。 蠓0I；，I搏k l。Lj、卜j鹕熬墟!：一煎黧麟一h口奔喀协随州1I=”=：川川m00脚州幽。州巾聊阶叫褂叭酗州一i-J、U蠕醮瓣妒激“吐谢麓滋廿恤“叭露洲
19、删溢硼憾喁j，茕jif，o“j11篙“=吐，”附pI_0鬻删盯0m刑簧肾释轴黼麟“叫博盼M吓印叫抖一一“hr_、吖执一雏闻灞强蚰_七_黜m_f_-蕾札Lh蕊j一rA bstractAbstractThe hydraulic drive has become an important component in the drive andautomatic control systems，widely used in industry,agriculture，defense，military andother fieldsHydraulic technology development are i
20、nextricably linked to the progress- of the sealing technology,sealing technology development plays an important role inpromoting the development of hydraulic technologyFirstly，this paper introduces the current status of domestic and foreign hydraulicseals research，points out the meanings and advanta
21、ges of researching the property ofthe 0一rings seal with the finite element methodThen，determine that the finite elementanalysis for the 0-tings seal is the non-linear contact analysis for the hyper elastomer,further determine the contact type、the contact elements and the model of the rubbermaterial
22、parametersAnd derive the formula for solving the finite element formulationFinally，by using ANSYS software，create finite element model、apply loads、solveresults，we obtain the 0-rings deformation and pressure under different compressionrates and different oil pressureCompared the obtained different da
23、ta，draw analysisconclusionsThe successful analyzing the 0一ring reflects that researching the property of thehydraulic seal with the finite element method has the advantage of accuracy、reliabilityand quicknessThis research method and analytical method can also be used for theanalysis of other types o
24、f sealing elementsKeywords：seals Finite Element Analysis 0一ring ANSYS翳零nj_l醮_F1蔓尊黼III-YI击蜀誊繁孵繁器WI瓣止。-0_蛾t辩： i|群碍f鬻之囊黼：；蕾,Vn#麓端i i麓粼l铷【|l：l_i!：h划j1。儡坤辩甚越。?r：“疆擅jj严U，一j上一J1，1士学位论文毫冲 I磷带粼一瓣i一麟I。”01-1，。-专一粉盼垮灞鲰出黟山?-耳j鬻1r一-ti哉针雌M-!掣一黔F0埘1咀l：l。l_。M孓一-，-。一二h一。r_l。1t?一j蘸岬中f。：”luh?0滔|I。：pf?。、-。x”溷 i_-：囊-一憎臀棚
25、I-1：j辎 -：j叶删黼冁耳器羹匕-差澄|：漶秘i：。、；i曲J1-彭攀鋈觥删狮熊呷剐。lJ_，M删，oIM獬卿m。H“忡F麟w_酬焉hLk，州琏-J；铲oF薹b：=_第1章绪论11课题研究的背景第1章绪论液压传动是以液体为工作介质来进行能量传递和进行控制的一种传动形式【11。近代液压传动的推广与应用，得意于19世纪崛起并繁荣发展的石油工业。20世纪30年代，第二次世纪大战中由于军事战争的需要，精度高、反应快的液压传动和控制装置得到了发展，推动了液压传动的进步。20世纪60年代以后，原子能技术、计算机技术、微电子技术等的发展【l】，进一步推动了液压技术的不断前进。当前，液压传动技术已经广泛地
26、应用于工业、农业、国防、军事等各个领域，并且与力学、微电子技术、计算机技术、控制技术等多种学科紧密关联、相互结合。我们知道液压缸是依靠密封容积的体积变化传递运动，是依靠油液的内部压力来传递动力的。因为液压缸内的元器件间存在着密封间隙，导致间隙两端有压力差，从而引起泄漏。液压缸的油液泄漏会直接影响整个液压系统的工作性能和使用效率，甚至会导致系统压力不能满足工作要求，更严重会导致整个液压系统无法正常使用。液压缸油液的泄漏还会使工作环境受到污染，并且造成油液资源的浪费。液压技术的进步发展和密封技术的提高是密不可分的，密封技术的发展对推动液压技术的发展起着至关重要的作用。密封理论以及密封设计也随着相关
27、技术的不断进步而发展。现代液压技术对密封的要求有如下的特点【2】：1液压系统的高压化一直以来是液压技术发展的重要方向和主要趋势。可以说，提高液压系统压力的关键点在于解决液压元器件与液压系统的密封问题。2液压控制系统，如伺服控制系统、比例控制系统，不仅要求对输出力的控制精度高、范围广，而且要求对输出位移、速度等精度高、误差小。这就要求密封设计有优良的密封性，尽量减小摩擦力，以减小机械摩擦造成的死区非线性，从而提高液压系统的响应速度。3当今全球性的环保问题与不可再生资源问题。油液的泄漏对环境造成污染以及石油资源的不可再生，都同样不容忽视，这就对液压传动中的泄漏提出了更高山东大学硕士学位论文的要求，
28、对液压系统中密封元件的密封性能提出了更高的要求。油液泄漏不仅对环境造成污染和资源的浪费，而且容易造成停机损失、工作效率下降等。在钢铁企业中，还会由于意外泄漏引起火灾。据英国工业部门的统计资料显示，在开展治理油液泄漏以前，英国每年液压系统泄露损失多达2亿美元，其中曼彻斯特市一钢铁企业年泄露油液就达2000万升12J；据德国工业部不完全统计，野外作业的工程机械、农业机械、林业机械、铁路车辆用润滑油及工作油的损失每年超过60万吨。目前，日本拥有40多万台挖掘机，每年因油液泄漏造成的损失多达2500万升。此外，在野外工作的机器漏油不仅影响作业环境，还会对周围的水质和土壤造成污染。因此，世界各国对油液泄
29、漏问题都高度重视。密封的效果在很大程度上决定着液压系统性能的优劣好坏。因此，可以看出，密封件在液压系统中占有极其重要的地位，对其密封性能的研究也就显得十分必要。12有限元法研究橡胶密封圈的意义皤虽然橡胶密封圈的结构十分简单，但是由于橡胶密封圈的密封性能的分析涉及到力学、摩擦学、材料学、公差配合等多学科的不同方面的知识，因此，对橡胶密封圈的密封性能的分析就存在许多困难。其表现形式主要如以下几个方面：1密封结构受力复杂，其几何形状、装配模式、公差配合同样比较复杂，其压缩变形情况难以在模型中准确表达；2密封结构中的密封元件为复杂材料，其性质复杂。例如，橡胶材料的三重非线性；3密封元件在工作状态中存在若干不确定的因素，如液压缸内的温度、密封 _介质特性等，难以得到全真模拟效果【3】；4在分析求解过程中边界条件复杂，使得接触计算复杂。所以，要对橡胶密封圈进行准确地分析研究在理论上就有许多的难点、存在较大的困难。基于以上原因和存在的难点，传统的对于橡胶密封圈的密封性能的研究分析一般是根据由实验总结的经验公式进行，所以这使得很难对密封的性能评价进行更加细致深入的研究，并且这样的研究分析在很大程度上是依赖于研究一第1章绪论人员的经验，这样会导致在技术上的进步十分缓慢，并且实际
