0 引言

    往复密封是液压系统中最简单的密封形式之一，但同时也是最关键的元件。密封的泄漏不但会造成环境的污染，其失效还会带来很多意想不到的灾难。例如美国挑战者号航天飞机发射爆炸，就是由于密封失效引起的。尽管往复密封技术简单，但是要真实的对其运行过程进行仿真非常不容易。首先，橡塑类密封材料的超弹性本构模型是典型的材料非线性问题，在求解过程中很难得到收敛的解。其次，密封接触界面处的流体动压润滑现象一直很复杂。Nikas从实验研究、理论研究等方面综述了自20世纪80年代以来往复密封的研究进展。早在1944年到1947年White和Denny两个人就关于往复密封做了很多详尽的实验和理论研究工作。ShankarBhaumik等人通过实验测量不同压力、不同往复运动速度下U型密封圈的摩擦力，研究它们的影响规律。大量的研究表明，在密封和活塞杆之间的界面存在一层很薄的油膜，通过假设油膜产生的压力跟密封唇口接触压力相等，可以通过逆向求解Reynold方程得出油膜厚度分布，进而得出表征密封性能的泄漏率及摩擦力。因此如何获得准确的唇口接触压力分布是整个理论计算的关键环节。目前，针对唇口接触压力分布的求解主要通过对密封圈结构有限元仿真计算。但是大量的仿真计算均没有考虑密封唇口在高压流体作用下接触与分离的临界点。YangBo利用ANSYS对Y形密封圈、阶梯型密封圈等进行结构分析。黄乐等利用ANSYS对Y形密封圈提出一种优化方法。郑金鹏、吴琼等在研究0形圈作为机械密封副密封时加载流体压力均没有考虑接触和分离的临界点。此外，由于橡胶材料的超弹性本构模型，大变形接触导致求解问题高度非线性。高压下的密封圈结构有限元计算很难得到收敛的解。以往很少有研究者针对高压下进行有限元仿真分析。

    本文作者利用ABAQUS软件对航空作动器VL密封圈进行有限元分析，在相互接触的两表面之间通过定义压力渗透加载流体压力载荷，这种加载方式能够自动寻找接触与分离的临界点，得到的结果更准确，唇口接触压力分布更光滑。对往复密封过盈装配、流体压力加载及内、外行程进行仿真。得出5MPa、15MPa、25MPa、35MPa流体压力载荷下密封圈内、外行程的应力应变云图、唇口接触区接触压力分布图。

    1 VL密封圈有限元仿真

    1.1 密封圈结构模拟过程描述

    由于往复密封在大行程运动时趋于稳态，对往复密封的仿真可以简化为准静态的轴对称模型，进行三个分析步的加载。首先是模拟密封圈安装的过程，这里此过程为过盈装配，其次是模拟密封圈流体侧流体压力的加载，最后是模拟往复密封内、外行程运动。三个分析步中第二个分析步在加载时要特别注意，因为在加载流体压力时密封唇口接触和分离的临界点不能事先确定，在压力加载的过程中，原本接触的节点可能会发生分离，分开的节点可能会发生接触。因此寻找接触和分离的临界点尤其重要，临界点将影响接触宽度以及接触压力分布。对往复密封理论计算有相当大的影响。本文作者采用ABAQUS流体压力渗透载荷的方法自动寻找到临界点。

    1.2 ABAQUS流体压力渗透载荷

    Abaqus/Standard可以模拟流体穿过两相互接触的表面，通过定义“主面”和“从面”，指定一个起始点，该起始点应该完全暴露于流体中。流体压力将沿着起始点向接触面加载，并且压力加载的方向垂直于单元面。直到到达某个节点，此节点的接触压力大于流体压力，此时停止加载。如图1所示，例如当节点102的接触压力小于流体压力，流体将继续向前加载。反之，如果节点102的接触压力值大于流体压力值，流体到达该节点将停止向前加载。利用这种加载方式可以动态地找到临界点，最终得到更准确的计算结果。

    1.3 密封圈有限元模型的建立

    如图2所示为特瑞堡REL3CM328AT19NG组合密封圈有限元模型，为简化计算，采用轴对称模型，由于活塞杆和沟槽相对密封圈变形很小，可以设置成刚体。0形圈材料为丁腈橡胶。材料本构模型选用Mooney-Rivlin模型，材料参数参照:C10=1.26MPa，C01=_0.78MPa，C20=-l.68MPa，Cll=2.94MPa，C02=-0.74MPa。V圈材料为填充聚四氟乙烯，由于聚四氟乙烯相对丁腈橡胶较硬。根据参考文献，其应力应变曲线在比较大的变形条件下有高度的非线性，但是在应变小于50%时可以近似看作线弹性。弹性模量取为200Mpa，泊松比为0.45。挡圈材料同为填充聚四氟乙烯，其弹性模量取200Mpa，泊松比为0.45。O圈单元类型选用CAX4RH，该单元为4节点双线性轴对称四边形杂交单元，可以模拟丁腈橡胶大变形大应变的非线性材料特性。V圈及挡圈单元类型选用CAX4R，该单元为4节点双线性轴对称四边形。对组合密封圈总共划分47473个单元，单元划分疏密对计算结果的影响后续将作分析。各个接触对均采用罚函数法，0圈跟沟槽摩擦系数定义为0.7,V圈跟活塞杆摩擦系数定义为0.08,0圈跟V圈接触的摩擦系数取0.6,挡圈跟活塞杆及沟槽的摩擦系数定义为0.1，V圈跟挡圈接触面的摩擦系数定义为0.2。

    1.4 过盈装配仿真

    建模过程中，分别给活塞杆和沟槽指定参考点。设定边界条件为：沟槽参考点固定不动，活塞杆参考点向右移动0.64mm.最终活塞杆距离沟槽的距离满足密封圈样本手册规定的距离，这个过程可以模拟密封圈的过盈安装。如图3为过盈安装后Vonmises应力云图，可以看出，最大Vonmises应力发生在唇口附近。

    1.5 流体侧压力加载仿真

    往复密封在工作过程中，高压流体对密封圈有力的作用。并且高压液压油还会试图穿过密封接触面，当流体压力大于接触面的接触压力时，接触的节点将被打开，流体继续往前渗透。直到接触压力大于流体压力。这一过程可以通过ABAQUS模拟，如图4,通过定义压力渗透接触对，指定渗透起始点，指定流体压力大小，可以模拟流体试图穿过密封接触界面的过程。

    1.6 不同流体压力加载方式对计算结果的影响

    如图5所示为15Mpa压力载荷下采用两种不同的加载方式得到的局部接触压力分布。其中指定边界方法需要研究者估计接触与分离的临界点，然后直接给预计不发生接触的节点施加流体压力。而流体压力渗透载荷的加载方式是通过ABAQUS软件自动寻找临界点。由图中可以看出指定边界法计算得到的接触压力曲线出现不连续的点，曲线不够光滑。采用流体压力渗透加载流体压力这种加载方式得到的结果更准确，唇口接触压力也更光滑。

    1.7 内、外行程运动仿真

    往复密封根据活塞杆运动方向的不同，可以简单分为内行程和外行程。在完成过盈装配，流体压力加载分析步后。通过分别给活塞杆参考点添加向上或者向下2mm的位移可以模拟活塞杆往复运动的过程。如图6,指定活塞杆参考点向上运动为内行程，活塞杆向下运动为外行程。