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全自动反冲洗过滤器滤筒密封有限元仿真分析

全自动反冲洗过滤器中滤芯的固定密封至关重要,常采用O形圈密封结构来隔离原水与过滤后的水。在该密封结构中,O形圈安装在沟槽内,具有一定的初始预压缩率和拉伸率,在介质压力作用下,O形圈进一步压缩变形实现密封。橡胶属于超弹性材料,其弹性行为与金属不同,有以下特点:可承受大弹性变形;几乎不可压缩,泊松比接近于0.5;应力应变曲线具有高度的非线性。ANSYS Workbench中的超弹性材料模型是基于材料各向同性和不可压缩的假设进行定义的。

橡胶材料模型近似不可压缩,泊松比为0.5,模型常数C10和C01由单轴拉伸或单轴压缩试验数据拟合本构方程确定,具体分析见文献。在ANSYSWORKBENCH中有限元计算前,预先输入材料的模型常数,本文根据参考文献,本文取C10=1.87MPa,C01=0.47MPa。

接触是一种高度非线性行为,在形成接触的不同物体表面之间,可以沿法向自由分离,也可以沿切向相对滑动,但不能发生互相穿透,因此,二者可以传递法向压缩力和切向摩擦力,但不能传递法向拉伸力。在ANSYS Mechanical中提供了罚函数法(Pure Penalty)、拉格朗日算法(Normal Lagrange)、扩展拉格朗日算法(Augmented Lagrange)等接触算法,用来执行强制接触协调。同时,Mechanical中提供了5种不同的接触类型:Bonded(绑定)、No Separation(不分离)、Frictionless(光滑无摩擦)、Rough(粗糙)及Frictional(摩擦),用于指定接触对象间的接触特点。

由于自动反冲洗过滤器的滤芯与壳体间属于静密封,滤芯安装到位后,O形圈压缩变形,当O形圈与滤芯间的最大接触压应力大于实际工作介质压力时,实现有效密封,实际受力工况如图1所示,其中1代表滤芯端盖,中间开O形圈沟槽,2代表O形圈,3代表自动反冲洗过滤器壳体,图中箭头方向代表介质压力方向。O形圈规格选取为φ466×7,沟槽底的内径468mm,沟槽尺寸为9.7×5mm,忽略O形圈安装后的拉伸率。由于该结构为2D轴对称模型。滤芯端盖1和壳体3均为316L不锈钢,弹性模量200GPa,泊松比0.3。

求解过程分为3个载荷步进行。第1载荷步使活塞和O形圈内径的交界面上协调;第2载荷步使壳体向上移动并压缩O形圈,模拟O形圈装配过程;第3载荷步加载静水压力,模拟O形圈在实际工况中受力变形情况。通过施加3个载荷步,使O形圈由自由状态达到承受径向压缩力和介质压力的作用。同时,对壳体1的内侧施加固定约束,对壳体3施加向上的位移,位置值根据实际位置关系确定,直至能够完全压缩O形圈。

在ANSYS Workbench中分别计算了O形圈仅受径向压缩时的受力情况,压缩率依次为5%、10%、15%和20%,图中隐藏显示了滤芯端盖和壳体部分,云图仅表示O形圈的实际受力情况。由于von-Mises等效应力反映了O形圈截面上各主应力差值大小,该值越大,则材料越容易屈服破坏。由图3可知,压缩率由5%增加到20%时,von-Mises等效应力由1.09MPa增加到4.26MPa。同时随着压缩率增大,最大等效应力的作用区域也将大幅度增加,进一步增加破坏的可能性。

结论:

(1)O形圈在装配后仅受径向压缩率时,von-Mises等效应力随着压缩率的增大而增大;

(2)O形圈在介质压力的作用下,von-Mises等效应力进一步增大,且随着介质压力的增大而增大;

(3)随着介质压力的增大,O形圈与滤芯、壳体间的接触压力逐渐增大;当介质压力不变时,接触压力值随着O形圈压缩率的增大而增大。

通过对O形圈的模拟计算,设计选型阶段在保证有效密封的前提下,尽可能选用较低压缩率的O形圈,避免O形圈过早破坏,同时降低O形圈的装配难度。

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