O型橡胶密封圈的压力渗透有限元模拟
基于接触状态的压力渗透载荷可以模拟计算液体或空气渗透到接触面的影响。我们可以把流体压力渗透载荷施加到柔体-柔体或刚体-柔体接触对上。在ANSYS中，二维和三维的CONTA171、CONTA172、CONTA173和CONTA174面-面接触单元都支持压力渗透载荷。
流体压力可以从一个或多个位置渗入到接触面之间。流体压力渗透载荷具有路径依赖的性质。渗透路径可以根据接触状态发展和变化，通过迭代计算获得最终状态。
本文介绍一个基于接触状态的压力渗透载荷模拟计算案例。注意：本案例仅做演示使用，不具备工程意义。
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模型概况及材料参数
本案例模型如下图，为简化计算，采用轴对称模型。
图1 轴对称模型
本案例属于静力学问题，因此采用ANSYS中的静力学分析模块，如下图：
图2 静力学分析模块
案例中，活塞和缸套的材料为结构钢，O型密封圈的材料为橡胶，材料模型采用 Neo-Hookean模型，Mu=20E6Pa，D1=0.015。材料参数设置如下图：
图3 材料模型及参数设置
材料参数设置完成后，可以按照前述模型图在spaceclaim中建立模型。之后将模型设置为2D分析，如下图所示。
图4 2D模型设置
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材料赋予与接触设置
模型建立和材料设置完成后，双击model进入分析系统。首先设置轴对称选项，然后赋予相关零部件材料属性，如下图所示：
图5 轴对称设置和赋予材料属性
接着对2个接触对进行设置。橡胶密封圈与缸套接触设置如下：
图6 橡胶密封圈与缸套接触设置
橡胶密封圈与缸套接之间接触由于在荷载作用下存在挤压和滑移，接触设置为摩擦接触，摩擦系数0.2。为避免计算过程中出现穿透，接触算法采用normal lagrange，此外由于在后续我们将会施加密封流体压力，橡胶圈会出现较大变形，因此接触探测采用Nodal-Projected Normal From Contact方法，以提供更精确的接触压力（详见《结合Workbench接触设置选项，理解ANSYS接触分析原理 (第二篇))。橡胶密封圈与缸套接之间初始时存在一定间隙，为此我们可以设置一个很小的稳定阻尼系数（Stabilization Damping Factor）以确保接触计算的收敛（详见《接触间隙如何处理？一个经典案例带你了解ANSYS workbench中的接触间隙处理策略》）。
橡胶密封圈与活塞的接触设置如下：
图7 橡胶密封圈与缸套接触设置
设置基本与橡胶密封圈与缸套接触设置一致。但由于橡胶密封圈与缸套接触初始时是接触状态，为避免初始的几何穿透引起额外的应力，设置Interface Treatment为刚好接触（Adjust to Touch）。
网格划分、初始接触状态
本案例网格划分如下，Jacobian ratio（MAPDL）是判断某单元的实际形状与该类单元的理想（标准）形状的差别程度，数值≥1，等于1时表示质量最好，数值越大网格越扭曲。结构分析必须小于 40,因此网格划分雅可比满足分析要求。
图8 网格划分
网格划分完成后，我们可以查看初始接触状态，结果如下：
图9 初始接触状态
可以看到，接触设置后，初始接触状态中不存在穿透，但有微小的间隙，我们已经设置了稳定阻尼系数，可以不用在意此间隙。
本案例需施加压力渗透载荷，因此可划分为两个载荷步：第一个载荷步施加活塞位移，第二个载荷步施加压力渗透载荷，并保持活塞位移。因此分析设置中，分析步设置如下：
图10 时间步设置
分析步设置后，可设置边界条件如下，如下图：
① 完全固定约束缸套的底边和侧边；
② 在活塞顶面上施加向下的位移0.007m，注意载荷步的设置。
图11 边界条件设置
本案例中，由于需通过命令流施加压力渗透载荷，因此我们需要先将：要施加压力渗透载荷的边线、渗透起始点进行选择命名。如下图：
图12 选择命名设置
此外，为加载密封流体压力，我们还需要对加载密封流体压力部位的接触单元进行识别，因此可在本例一个接触对下插入command,插入如下命令：
图13 接触单元的识别命令插入
接着便可在分析设置下插入command，第二个载荷步在指定的流体压力施加部位施加流体压力20MPa。命令流如下：
由于篇幅问题，关于命令流的解释，在下一篇文章中具体介绍。
由于本例中，橡胶会产生大变形，因此在设置中还需打开大变形。并考虑接触的输出结果，因此还需做如下求解和输出设置：
图14 求解和输出设置
按照以上设置完成后，便可求解分析。
本例计算的等效应力及变形情况如下：
可以看到，橡胶密封圈出现了较大的变形，且分成了两个阶段，第一个载荷步下随着活塞向下移动，接触到缸套时收到了缸套的挤压变形。第二个载荷步下，由于密封流体压力的施加，橡胶密封圈下部往上变形抬升，活塞和缸套与之接触的部位的解接触压力、内部的应力发生增大变化。如果我们将密封流体压力加大到50MPa，效果会更加明显，如下图所示：
在ansys中，我们可以查看密封流体压力施加下的接触部位的间隙、接触压力、流体压力的变化，如下图所示：
我们也可以查看，每一个子步下的流体压力的变化，如下图：
选自微信公众号：薛定谔的cube