一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法及装置与流程

本发明涉及带弹簧油封设计技术领域，特别是涉及一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法及装置。

背景技术：

油封径向力与其密封性能有着密切联系，一般来说，径向力设计不合理是引起油封失效的主要原因之一。而如何准确预测油封径向力的大小一直是研究者们研究的内容之一。

油封径向力由弹簧箍紧力和油封唇口回弹力两部分组成，弹簧箍紧力的作用是提高油封密封唇在轴上的压紧力，这就要求油封所使用的弹簧需具有预应力特性，即微小的伸长就可以得到必要的箍紧力，因此油封所选用的弹簧一般为有初应力的拉伸弹簧，从而使得油封弹簧力的变化实际包含初应力和线性拉伸力两部分。

目前，已有学者初步将有限元分析方法用于测算油封径向力，以往的研究者在通过有限元分析方法计算油封径向力时，有的通过在弹簧槽施加均布压力来进行等效模拟，如江华生等人在《油封唇口静态接触特性的有限元分析》中使用ansys软件通过在弹簧槽施加均布压力的方法来分析带弹簧油封性能，然而，均布压力等效方法虽有利于分析建模以及载荷的施加，但与真实的弹簧加载有所区别；有的则通过建立圆管模型进行模拟，如谭晶等人在《弹簧对油封密封性能的影响》中使用ansys软件通过圆管模型来分析带弹簧油封性能，然而，圆管模型虽能更真实的模拟弹簧载荷，但未能实现弹簧预紧装配及初应力情况的模拟。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法及装置，以解决带弹簧油封在安装使用过程中的径向力测量问题，从而可更真实地模拟带弹簧油封工作过程中的性能。

为达上述目的，本发明提出一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法，包括如下步骤：

步骤s1，建立油封二维轴对称模型，所述模型包括但不限于所述油封的橡胶体、骨架、弹簧及安装轴，对模型进行划分网格、定义接触以及加载；

步骤s2，进行载荷步一：考虑弹簧初应力及弹簧预拉伸装配，模拟弹簧预紧装配在所述油封弹簧槽上，进行弹簧装配在所述油封弹簧槽上的受力变形分析；

步骤s3，进行载荷步二：模拟所述油封预紧装配在轴上，根据所述油封实际过盈量求出所述油封在工作状态下的径向力。

优选地，步骤s1进一步包括

步骤s100，利用所述油封的橡胶体、骨架及弹簧实际尺寸定义油封二维几何模型，将轴简化为长方形，长宽比在5-10之间，且长方形与油封内径初始接触，利用有限元分析软件在xy平面内进行建模，模型关于y轴对称。

步骤s101,在所述油封的橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触定义油封的橡胶体与骨架为粘接关系；

步骤s102，选择网格的单元类型为平面轴对称单元，单元形状以四边形为主。划分网格，并对油封唇口进行网格细化。

优选地，于步骤s101中，摩擦系数均取值在0.01-1之间，接触刚度均取值在0.1-10之间。

优选地，步骤s2进一步包括：

步骤s200，根据步骤s1，改变弹簧材料性能，更新获得二维轴对称模型；

步骤s201，在所述橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧与轴的内侧施加x方向固定约束；

步骤s202，利用有限元分析软件的静力模块进行静态特性分析求解，；

步骤s203，在计算结果中，得到油封未产生过盈时的受力变形，若取消油封橡胶体和轴的接触约束，则模拟得到弹簧装配后，油封内径的收缩量。

优选地，步骤s200进一步包括：

步骤s200a，在所述有限元分析软件的工程材料模块中分别定义橡胶体、弹簧、骨架和轴的材料，所述的橡胶体为非线性材料，定义模型系数，弹簧、骨架和轴为线性材料，定义包括弹性模量、泊松比等2类参数；

步骤s200b，将油封及轴三维模型导入所述有限元分析软件中建立二维轴对称模型，首先利用模型的对称性，在轴中点用垂直于轴的平面将三维模型分割成两半，取其中一半，然后选取x方向为正值的切割面作为轴对称分析模型，生成4个独立的面物体；

步骤s200c，在油封橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触，然后划分网格，并对油封唇口进行网格细化。

优选地，于步骤s3中，通过在轴上施加一个径向位移来实现，计算完成后提取轴的的支反力，即为最终带弹簧油封的径向力。

优选地，步骤s3进一步包括：

步骤s300，根据步骤s200，更新弹簧材料属性，更新获得二维轴对称模型；

步骤s301，在橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧施加x方向固定约束；轴的内侧施加x方向位移约束，位移量等于油封的设计过盈量；

步骤s302，利用所述有限元分析软件的静力模块进行静态特性分析求解；

步骤s303，根据计算结果获得轴外侧的支反力，该支反力即为油封在工作状态下的径向力。

优选地，步骤s300进一步包括：

步骤s300a，橡胶体、骨架和轴的材料属性直接引用步骤s200a定义的材料；弹簧的材料属性依据新计算的弹簧等效弹性模量值定义；

步骤s300b，几何模型直接引用步骤s200b的二维轴对称模型；

步骤s300c，网格划分直接引用步骤s200c的网格。

优选地，于步骤s200a和步骤s300a中，利用圆管模型来等效油封弹簧，并通过在两个载荷步中给圆管赋予不同的材料系数来模拟油封弹簧的实际工作过程中的初应力和线性拉伸力两部分力的作用，进而计算出弹簧等效弹性模量。

为达到上述目的，本发明还提供一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算装置，包括：

建模单元，用于建立油封二维轴对称模型，所述模型包括但不限于所述油封的橡胶体、骨架、弹簧及安装轴，对模型进行划分网格、定义接触以及加载。

第一载荷步模块，用于考虑弹簧初应力及弹簧预拉伸装配，模拟弹簧预紧装配在油封弹簧槽上，进行弹簧装配在油封弹簧槽上的受力变形分析；

第二载荷步单元，用于模拟油封预紧装配在轴上，根据油封实际过盈量求出油封在工作状态下的径向力。

与现有技术相比，本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法及装置通过采用有限元软件ansys计算得到带弹簧油封径向力，其计算过程分为两步：第一步求出弹簧预紧装配在油封弹簧槽上油封橡胶体的受力变形，第二步根据油封实际过盈量求出油封在工作状态下的径向力，本发明解决了带弹簧油封在安装使用过程中的径向力测算问题，更真实的模拟带弹簧油封工作过程中的性能，且模型易收敛、求解效率高，便于一般工程技术人员使用，高效快捷。

附图说明

图1为本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法的步骤流程图；

图2为本发明几何建模示意图；

图3为本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算装置的系统架构图；

图4为本发明具体实施例的流程图；

图5为本发明具体实施例中步骤一的细部流程图；

图6为本发明具体实施例中步骤二的细部流程图；

图7为本发明支反力示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法，包括如下步骤：

步骤s1，如图2所示，在有限元软件中建立油封二维轴对称模型，所述模型包含油封的橡胶体、骨架、弹簧及安装轴，再对模型进行划分网格、定义接触以及加载。

具体地，步骤s1进一步包括：

步骤s100，利用所述油封的橡胶体、骨架及弹簧实际尺寸定义油封二维几何模型，将轴简化为长方形，长宽比在5-10之间，且长方形与油封内径初始接触，利用有限元分析软件在xy平面内进行建模，模型关于y轴对称。

步骤s101,在所述油封的橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触，摩擦系数均取值在0.01-1之间，接触刚度均取值在0.1-10之间，定义油封的橡胶体与骨架为粘接关系；

步骤s102，选择网格的单元类型为平面轴对称单元，单元形状以四边形为主。划分网格，并对油封唇口进行网格细化。

步骤s2，载荷步一：考虑弹簧初应力及弹簧预拉伸装配，模拟弹簧预紧装配在油封弹簧槽上，进行弹簧装配在油封弹簧槽上的受力变形分析。在本发明中，通过初始应力函数inistate来实现，具体地，在有限元分析软件中导入油封及轴的三维模型，并利用对称性在轴中点，用垂直于轴的平面将三维模型分割成两半，取一半，然后选取x方向为正值的切割面作为轴对称分析模型；在轴对称模型的油封橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触约束。

本发明中，考虑弹簧初应力及弹簧预拉伸装配，模拟弹簧装配在油封弹簧槽上油封的受力变形，由于密封结构及工作时的边界受力条件具有圆周对称性特点，因此分析模型可简化为平面轴对称状态，简化的方式为本领域公知技术，在此不予赘述。

在本发明具体实施例中，采用的有限元分析软件为ansys软件，即于步骤s2中，利用ansys软件的静力模块进行弹簧装配在油封弹簧槽上的受力变形分析，步骤s2进一步包括：

步骤s200，根据步骤s1，改变弹簧材料性能，更新获得二维轴对称模型。

具体地，步骤s200进一步包括：

步骤s200a，在ansys软件的工程材料模块中分别定义橡胶体、弹簧、骨架和轴的材料，所述的橡胶体为非线性材料，定义mooney-rivlin模型系数，弹簧、骨架和轴为线性材料，定义包括弹性模量、泊松比等2类参数；

对于弹簧材料，可根据经典弹簧计算公式得到弹簧初拉力f0和拉伸力f1，并根据弹簧初拉力f0和拉伸力f1得到弹簧等效弹性模量e1，然后根据弹簧等效弹性模量e1定义弹簧材料。

步骤s200b，将油封及轴三维模型导入ansys软件的ansysworkbench中建立二维轴对称模型，首先利用模型的对称性，在轴中点用垂直于轴的平面将三维模型分割成两半，取其中一半，然后选取x方向为正值的切割面作为轴对称分析模型，生成4个独立的面物体(surfacebody)，长度单位取mm；

步骤s200c，在油封橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触，其摩擦系数取0.1；接触刚度取0.5；网格类型选四边形为主，然后划分网格，并对油封唇口进行网格细化。

步骤s201，在橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧与轴的内侧施加x方向固定约束；

步骤s202，利用ansys软件的静力模块进行静态特性分析求解，具体地，打开ansys软件静力模块的大变形选项(largedeflection设置为on)，进行静态特性分析求解，求解分析的结果包括但不限于油封压缩后各个节点/单元的应力应变信息，接触区接触状态/压力等等；

步骤s203，在计算结果中，可以查看油封未产生过盈时的受力变形，若在步骤s200c中取消油封橡胶体和轴的接触约束，则可以模拟得到弹簧装配后，油封内径的收缩量，单位为mm。

步骤s3，载荷步二：模拟油封预紧装配在轴上，根据油封实际过盈量求出油封在工作状态下的径向力。在本发明中，在步骤s2的基础上，通过在轴上施加一个径向位移来实现，计算完成后提取轴的的支反力，即为最终带弹簧油封的径向力。

在本发明具体实施例中，采用的有限元分析软件为ansys软件，即于步骤s3中，利用ansys软件的静力模块进行油封工作状态下的径向力计算，其具体步骤如下：

步骤s300，根据步骤s200，更新弹簧材料属性，更新获得二维轴对称模型。

具体地，步骤s300进一步包括：

步骤s300a,橡胶体、骨架和轴的材料属性直接引用步骤s200a定义的材料；弹簧的材料属性依据新计算的值；具体地，对于弹簧材料，通过计算弹簧拉伸力f2，根据弹簧拉伸力f2得到弹簧等效弹性模量e2，最后根据弹簧等效弹性模量e2定义弹簧材料；

步骤s300b，几何模型直接引用s200b的模型，长度单位取mm；

步骤s300c，网格划分直接引用s200c的网格。

步骤s301，在橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧施加x方向固定约束；轴的内侧施加x方向位移约束，位移量等于油封的设计过盈量；

步骤s302，利用ansys软件的静力模块进行静态特性分析求解，具体地，打开ansys软件静力模块的大变形选项(largedeflection设置为on)进行求解，具体地，利用，得到各节点/单元的受力变形等等信息；在本发明中，只关注得到的支反力结果；

步骤s303，在计算结果中，可以查看出轴外侧的支反力，该支反力即为油封在工作状态下的径向力，单位为n。

优选地，于步骤s200a和步骤s300a中，本发明通过圆管模型来等效油封弹簧，并通过在两个载荷步中给圆管赋予不同的材料系数来模拟油封弹簧的实际工作过程中的初应力和线性拉伸力两部分力的作用。

图3为本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算装置的系统架构图。如图3所示，本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算装置，包括：

建模单元301，用于在有限元软件中建立油封二维轴对称模型，所述模型包含油封的橡胶体、骨架、弹簧及安装轴，再对模型进行划分网格、定义接触以及加载。

建模单元301具体用于：

利用所述油封的橡胶体、骨架及弹簧实际尺寸定义油封二维几何模型，将轴简化为长方形，长宽比在5-10之间，且长方形与油封内径初始接触，利用有限元分析软件在xy平面内进行建模，模型关于y轴对称。

在所述油封的橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触，摩擦系数均取值在0.01-1之间，接触刚度均取值在0.1-10之间，定义油封的橡胶体与骨架为粘接关系；

选择网格的单元类型为平面轴对称单元，单元形状以四边形为主。划分网格，并对油封唇口进行网格细化。

第一载荷步模块302，用于考虑弹簧初应力及弹簧预拉伸装配，模拟弹簧预紧装配在油封弹簧槽上，进行弹簧装配在油封弹簧槽上的受力变形分析。在本发明中，通过初始应力函数inistate来实现，具体地，第一载荷步模块302在有限元分析软件中导入油封及轴的三维模型，并利用对称性在轴中点，用垂直于轴的平面将三维模型分割成两半，取一半，然后选取x方向为正值的切割面作为轴对称分析模型；在轴对称模型的油封橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触约束；在所述橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，轴的内侧施加x方向的位移载荷，求解后位移量等于油封的设计过盈量。

本发明中，考虑弹簧初应力及弹簧预拉伸装配，模拟弹簧装配在油封弹簧槽上油封的受力变形，由于密封结构及工作时的边界受力条件具有圆周对称性特点，因此分析模型可简化为平面轴对称状态，简化的方式为本领域公知技术，在此不予赘述。

在本发明具体实施例中，采用的有限元分析软件为ansys软件，第一载荷步模块302，利用ansys软件的静力模块进行弹簧装配在油封弹簧槽上的受力变形分析，第一载荷步模块302具体用于：

改变弹簧材料性能，根据建模单元301，更新获得二维轴对称模型

在橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧与轴的内侧施加x方向固定约束；

利用ansys软件的静力模块进行静态特性分析求解，具体地，打开ansys软件静力模块的大变形选项(largedeflection设置为on)，进行静态特性分析求解，求解分析的结果包括但不限于油封压缩后各个节点/单元的应力应变信息，接触区接触状态/压力等；

在计算结果中，可以查看油封未产生过盈时的受力变形，若建模单元中取消油封橡胶体和轴的接触约束，则可以模拟得到弹簧装配后，油封内径的收缩量，单位为mm。

第二载荷步单元303，用于模拟油封预紧装配在轴上，根据油封实际过盈量求出油封在工作状态下的径向力。在本发明中，第二载荷步单元303通过在轴上施加一个径向位移来实现，计算完成后提取轴的的支反力，即为最终带弹簧油封的径向力。

在本发明具体实施例中，第二载荷步单元303采用的有限元分析软件为ansys软件，即用ansys软件的静力模块进行油封工作状态下的径向力计算，第二载荷步单元303具体用于：

更新弹簧材料属性，根据第一载荷步单元302，更新获得二维轴对称模型

在橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧施加x方向固定约束；轴的内侧施加x方向位移约束，位移量等于油封的设计过盈量；

利用ansys软件的静力模块进行静态特性分析求解，具体地，打开ansys软件静力模块的大变形选项(largedeflection设置为on)进行求解，具体地，利用，得到各节点/单元的受力变形等等信息；在本发明中，只关注得到的支反力结果；

在计算结果中，可以查看出轴外侧的支反力，该支反力即为油封在工作状态下的径向力，单位为n。

以下将通过具体实施例来说明本发明：

如图4所示，在本发明具体实施例中，带弹簧油封径向力的计算过程分为两步：步骤一，考虑弹簧初应力及弹簧预拉伸装配，模拟弹簧装配在油封弹簧槽上油封的受力变形，由于密封结构及工作时的边界受力条件具有圆周对称性特点，因此分析模型可简化为平面轴对称状态，简化的方式为本领域公知技术。

步骤二，在轴的内侧施加x方向的位移载荷，位移量等于油封的设计过盈量，求解后输出轴外侧的支反力，该支反力即为油封在工作状态下的径向力。

也就是说，本发明共设置两个载荷步来进行计算，每个载荷步的子步数设置为10-30步，根据载荷步二每个子步的过盈量及对应子步中轴外侧的支反力，得到带簧油封过盈量和径向力的关系。

在本发明具体实施例中，采用有限元分析软件实现，本实施例中采用ansys软件，以下分别说明上述各步骤的细部流程：

步骤一，利用ansys的静力模块进行弹簧装配在油封弹簧槽上的受力变形分析，如图5所示，其具体步骤如下：

步骤1.1，在ansys的工程材料模块中分别定义橡胶体、弹簧、骨架和轴的材料，所述的橡胶体为非线性材料，定义mooney-rivlin模型系数，弹簧、骨架和轴为线性材料，定义包括弹性模量、泊松比等2类参数；

在本发明中，可根据经典弹簧计算公式得到弹簧初拉力f0和拉伸力f1，并根据弹簧初拉力f0和拉伸力f1得到弹簧等效弹性模量e1，然后根据弹簧等效弹性模量e1定义弹簧材料。

步骤1.2将油封及轴三维模型导入ansysworkbench中建立二维轴对称模型，首先利用模型的对称性，在轴中点用垂直于轴的平面将三维模型分割成两半，取其中一半，然后选取x方向为正值的切割面作为轴对称分析模型，生成4个独立的面物体(surfacebody)，长度单位取mm；

步骤1.3，在油封橡胶体和轴以及橡胶体和弹簧之间分别定义带摩擦的接触，其摩擦系数取0.1；接触刚度取0.5；网格类型选四边形为主，然后划分网格，并对油封唇口进行网格细化；

步骤1.4，在橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧与轴的内侧施加x方向固定约束；

步骤1.5，打开大变形选项(largedeflection设置为on)，进行求解；

步骤1.6，在计算结果中，可以查看油封未产生过盈时的受力变形，若在(a3)中取消油封橡胶体和轴的接触约束，则可以模拟得到弹簧装配后，油封内径的收缩量，单位为mm。

步骤二，如图6所示，利用ansys的静力模块进行油封工作状态下的径向力计算，其具体步骤如下：

步骤2.1，橡胶体、骨架和轴的材料属性直接引用步骤1.1定义的材料；弹簧的材料属性依据新计算的值定义，具体地，计算弹簧拉伸力f2，根据弹簧拉伸力f2得到弹簧等效弹性模量e2，根据弹簧等效弹性模量e2定义弹簧材料；

步骤2.2，几何模型直接引用步骤1.2的模型，长度单位取mm；

步骤2.3，网格划分直接引用步骤1.3的网格；

步骤2.4，在橡胶体与轴的底线上施加y方向固定约束，橡胶体外侧施加x方向固定约束；轴的内侧施加x方向位移约束，位移量等于油封的设计过盈量；

步骤2.5，打开大变形选项(largedeflection设置为on)，进行求解；

步骤2.6，在计算结果中，可以查看出轴外侧的支反力，该支反力即为油封在工作状态下的径向力，单位为n，如图7所示。

实施例1

以规格φ45*φ65*8的内骨架油封为例，介绍其径向力分析过程，其配套弹簧的规格为φ0.3mm*φ1.6mm，油封的密封主体材料为丁腈橡胶，弹簧材料为65mn。利用上述带弹簧油封径向力求解方法，得到的不同弹簧长度下，内骨架油封装配到轴上的径向力，如弹簧长度为145mm时，内骨架油封装配到轴上的径向力为22.5n(与径向力测量仪的试验结果22.7n相近)，通过比较不同弹簧长度下的油封径向力大小，从中选择合适的弹簧长度。

本发明已应用到带弹簧油封设计中，采用本发明计算的带弹簧油封径向力为带弹簧油封的设计开发提供了依据。

综上所述，本发明一种基于有限元方法的带弹簧油封径向力测算方法及装置通过采用有限元软件ansys计算得到带弹簧油封径向力，其计算过程分为两步：第一步求出弹簧预紧装配在油封弹簧槽上油封橡胶体的受力变形，第二步根据油封实际过盈量求出油封在工作状态下的径向力，本发明解决了带弹簧油封在安装使用过程中的径向力测算问题，更真实的模拟带弹簧油封工作过程中的性能，且模型易收敛、求解效率高，便于一般工程技术人员使用，高效快捷。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。