专用高分子密封制品仿真分析及复合软管外层胶料共混改性研究

【摘要】近年来,橡胶和弹性体在国防事业中的应用越来越广泛。针对国内外研究现状,本文利用有限元方法对密封件的密封机理进行理论研究；研究开发了基于有限元分析方法、适合不同橡胶密封材料、不同结构密封件的“橡胶密封件仿真分析系统”软件；利用聚合物物理改性方法对聚氨酯软管外层胶料进行共混改性研究,提出了一种提高热塑性聚氨酯耐磨性的新方法。研究中开展的主要工作如下：1.利用有限元方法对密封件密封机理的研究。结合前人总结的密封理论,将密封件密封机理的有限元分析分为静态分析和动态分析两部分。本文中使用ANSYS有限元软件,对O形密封圈、矩形密封圈、橡塑组合密封圈和油封进行了静态分析,其密封机理属于接触问题,采用罚单元法描述了该接触问题。建立了各密封件的二维轴对称有限元模型,分析了在不同工况条件下最大接触压力、应力应变分布和变形情况。借助有限元软件ANSYSCFX对油封进行了动态分析,将油封的表面效应和结构效应的动密封理论作为理论基础,对密封介质在密封间隙中的流动情况进行了模拟。分析了油封唇口表层材料弹性皱纹的反旋段和顺旋段的差值对表面效应引起的泵吸率的影响,轴转速对表面效应和结构效应引起的泵吸率的影响。模拟结果与实验结果有较好的一致性,证实了利用有限元方法进行密封件密封机理研究的可行性。2.橡胶密封件仿真分析系统的研究开发采用VisualBasic语言作为系统开发界面,以Access为数据存贮数据库,以ANSYS分析平台为核心、以Pro/Engineer为图形输出平台,开发了一套“橡胶密封件仿真分析系统”软件。本系统由计算模块、绘图模块和专家知识库三部分组成。计算模块是本系统的核心,实现了对O形密封圈、矩形密封件、油封和橡塑组合密封件的有限元分析。此模块具有友好的交互界面,简化了有限元分析的前处理过程,使CAE软件复杂繁琐的建模过程变得轻松快捷,各结构尺寸调整后,设计图形自动更新,并可快速转化为FE模型进行有限元分析,节省了前处理时间；从分析上,该系统采用内置命令流的方式使复杂的有限元分析过程在后台运行,给工程设计人员带来很大的方便,扩大了使用范围。绘图模块主要是利用计算结果数据完成橡胶密封制品和制品模具的三维图和工程图的绘制,此模块采用软件内设置的设计图纸为依据,只需进行相应的参数定义便可自动生成橡胶密封制品及其模具图,既符合工程设计人员的工作习惯,又大大简化了图纸的绘制过程,方便修改。专家知识库主要介绍橡胶密封件的各方面知识供使用者对橡胶密封件进行分析计算,指导用户进行密封件的优化设计。本文以O形密封圈和油封为例,介绍了该系统的使用过程。该系统的研制为国内密封件设计研究提供了一定的借鉴作用,具有一定的工程价值。3.复合软管外层胶料共混改性研究针对目前输油用复合软管在使用过程中出现的耐磨性、抗划伤性能差等问题,提出一种通过共混改性方法,根据银纹-剪切带理论,利用三元乙丙橡胶(EPDM)提高复合软管外胶层(TPU)韧性来增加其耐磨性能的新方法。实验结果表明,随着EPDM含量增加,TPU/EPDM共混物磨损方式由粘着磨损转化为磨粒磨损,对TPU的耐磨性有显著提高,当EPDM含量为8%时,TPU/EPDM共混物的耐磨性能最好,EPDM含量超过8%时,共混物各项性能均呈下降趋势。将共混后的TPU新材料应用于输油管中,能够大大提高输油软管在实际使用过程中的抗刮伤问题,延长现有聚氨酯输油软管的使用寿命,节约能源,为我国聚氨酯输油软管的研制做出巨大贡献。
【作者】谭晶；
【导师】杨卫民；
【作者基本信息】北京化工大学，机械设计及理论，2008，博士
【关键词】橡胶；密封圈；密封机理；有限元分析；系统开发；热塑性聚氨酯；共混；耐磨性能；

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