橡膠密封件廣泛應用于包括內燃機在內的許多機械設備中，橡膠密封件的設計是關系到這些機械設備可靠性及壽命的一個重要環節，然而，由于它涉及到固體力學、高分子材料科學、液體侵蝕以及制造工藝等多方面的理論知識，故對該問題的精確研究存在許多困難，一般都根據經驗公式進行設計。   
      目前，國內許多機械設備采用多個小截面密封圈成組進行密封。這種密封方式對軸、孔粗糙度的要求較高，導致加工復雜、安裝困難，而且效果很難令人滿意。而國外大多采用單個大截面密封圈進行密封。不僅在軸、孔粗糙度上降低了要求，安裝容易，而且效果甚佳。本研究從固體力學的角度，結合國際上大型ANSYS有限元分析系統軟件，對柴油機O形橡膠密封圈進行了有限元分析計算，對不同截面和不同油壓下計算結果進行了比較，總結出一些結論，為橡膠密封件的設計計算作了有益的探索。
對密封圈進行的有限元計算，由于邊界條件一般較為復雜，使得必須將密封圈及密封結構的軸、孔作為一個整體進行分析。密封圈與軸、孔之間存在擠壓作用，因此密封圈的有限元分析是個包含橡膠材料和金屬材料的接觸問題。   
      橡膠材料屬于超彈性近似處理為一個不可壓縮體，材料的本構關系是復雜的非線性函數，通常可以用應變能函數表示。在受力后，材料能夠呈現出大位移大應變。力學模型表現為復雜的材料非線性和幾何非線性。其變形后的體積可近似看成不變，故其應力不能由變形狀態唯一確定，而是由變形和靜水壓共同確定。從變分角度講，由于不可壓縮條件的存在，使橡膠體的有限元分析變成一個等式條件變分問題。目前廣泛采用Mooney-Revlin模型描述橡膠材料的應變能函數，同時附加體積約束能量項，得一修正的應變能函數。利用修正的應變能函數可使問題化為一無條件變分問題。
      接觸問題是廣泛存在于工程實際的一個復雜的非線性問題。隨著力學理論、數學理論以及現代計算機技術的發展，各國學者提出了許多接觸間題的有限元算法。可根據不同問題的力學模型性質選用適當的算法。ANSYS程序采用罰單元法描述接觸問題。從變分角度看，是將結構的總勢能二表達為應變勢能W、外力勢能We和接觸力勢能Q的和。
      在采用大槽寬(橡膠圈可沿軸向自由變形)密封結構時，內壓作用不僅不會使橡膠圈脫離孔的內表面而產生泄漏現象，反而可增加橡膠圈與軸、孔之間的接觸力，故建議橡膠密封結構采用大槽寬。如此可避免小槽寬密封結構中，橡膠圈由于單側受內壓作用而削弱其與孔內表面的接觸力，甚至使其脫離孔的內表面而導致泄漏現象。對相同的壓縮量，小截面橡膠圈對應的接觸壓力大，但接觸帶小。接觸壓力大勢必導致安裝困難及安裝時被破壞的可能性大，增加失效泄漏概率，而接觸帶寬小，為使密封效果好，對軸、孔的粗糙度要求很高，造成加工困難。因此，橡膠密封結構在滿足結構工藝等其他要求的狀況下應盡可能選用大截面橡膠圈進行密封。溫度的升高雖會使橡膠圈膨脹，但由于其Mooney-Revlin常數的變化，最大接觸壓力反而減小，可能會增加泄漏的可能性。本研究采用的方法可推廣應用到一般的橡膠密封圈的分析計算。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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