www.proCae.ru - это последняя модификация нескольких сайтов CAD, CAE и CAM тематики. На страницах ресурса Вы найдете хорошие статьи, посвященные таким СAD, как SolidWorks, Компас AutoCAD, расчетам в таких CAE, как Ansys, Ansys CFX, Fluent, Star-CD, QForm и многое другое.
В работе на примере воротника 48X25X10 показаны возможности расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов уплотнительных устройств с использованием про-граммы LS-DYNA. Расчет выполнен в рамках существующего подхода к разработке уплотнительных устройств
Разработка уплотнительного устройства обычно представляет итерационный процесс, имеющий несколько петель обратной связи [3]. На схеме, которая показана на рис. 1, таких петель две. Отправной точкой первой петли является инженерный анализ, второй - стендовые испытания уплотнительного устройства.
В данной работе основное внимание уделено расчету напряженно-деформированного состояния (НДС) резиновых элементов уплотнительных устройств, который выполняется на этапе проведения инженерного анализа. В качестве примера выбран воротник 48X25X10, изготовленный из резиновой смеси марки 8075-3А ОСТ 838.0529-84.
Результаты расчета НДС воротника в дальнейшем были использованы для оценки работоспособности уплотнительного устройства при различных условиях эксплуатации и режимах работы, а также расчета показателей его безотказности, долговечности и сохраняемости.
Геометрические модели воротника были разработаны в препроцессоре ANSYS. Благодаря использованию внутреннего языка ANSYS APDL модель полностью параметризована, что позволило создать предпосылки для автоматизации и стандартизации инженерного анализа всего параметрического ряда существующих воротников. Двухмерная и трехмерная геометрические модели воротника 48X25X10 показаны на рис. 2.
|
|
|
| а | б |
| Рис. 2. Геометрические модели воротника: а – двухмерная; б – трехмерная |
|
Далее представлены результаты расчета НДС воротника 48X25X10 при посадке воротника в корпус уплотнительного устройства с учетом возможного эксцентриситета корпуса уплотнительного устройства и штока, который может быть обусловлен действием на шток радиальной силы, наличием зазоров между штоком и направляющими элементами уплотнительного устройства, имеющимися допусками на геометрические размеры и наличием износа деталей уплотнительного устройства. Геометрические модели конструкции показаны на рис. 3.
|
|
|
| а | б |
| Рис. 3. Геометрические модели конструкции: а – двухмерная; б – трехмерная |
|
На рис. 3 кроме воротника показаны корпус уплотнительного устройства, шток и прижимное кольцо, которые имеют модули упругости материалов на несколько порядков больше, чем резина. Поэтому в дальнейших расчетах они считались абсолютно жесткими.
Испытанию резины предшествовала процедура выбора модели материала (структуры определяющего соотношения). Выбор был осуществлен из следующих моделей материалов:
- модели гиперупругого материала с потенциалом Блатца-Ко (однопараметрический упругий потенциал) - седьмая модель материала LS-DYNA;
- модели гиперупругого материала с потенциалом Муни-Ривлина (двух- пяти- или деятипараметрический упругий потенциал) - двадцать седьмая модель материала LS-DYNA;
- модели гиперупругого материала с потенциалом Огдена (двух- пяти- или шестипараметрический упругий потенциал) - семьдесят седьмая модель материала LS-DYNA.
После предварительных испытаний резиновой смеси марки 8075-3А ОСТ 838.0529-84 и проверки ее сжимаемости для описания ее поведения была выбрана модель гиперупругого материала с пятипараметрическим потенциалом Муни-Ривлина.
Испытания проводились на лабораторной машине Р-50, внешний вид которой показан на рис. 4. Для этого было изготовлено приспособление для испытания образцов на двухосное сжатие (сдвиг). Внешний вид приспособления показан на рис. 5,б. Для регистрации усилий и перемещений использовался встроенный двухкоординатный самописец и внешняя ЭВМ. Образцы в виде кубика со стороной 10 мм испытывались на сжатие (см. рис. 5,а) и сдвиг (см. рис. 5,б). Размеры образцов были приближены к размерам продольного сечения воротника с целью минимизации влияния масштабного фактора.
Рис. 4. Общий вид машины Р-50 с комплектом
регистрирующий аппаратуры
|
|
|
| а | б |
| Рис. 5. Вид узла нагружения: а - при осевом сжатии; б - при испытании на сдвиг |
|
Идентификация параметров модели материала осуществлялась встроенными средствами ANSYS [2]. Результаты испытаний, результаты сопоставления диаграмм деформирования полученных экспериментально и расчетным методом показаны на рис. 6. Согласование диаграмм удовлетворительное.
 |
 |
| а | б |
| 1 - результаты испытаний; 2 - результаты моделирования Рис. 6. Результаты испытание прямоугольных образцов: а - сжатие; б - сдвиг |
|
Конечно-элементные модели воротника были разработаны в препроцессоре ANSYS. Двухмерная конечно-элементные модель воротника показана на рис. 7,а, трехмерная - на рис. 7.б. Двухмерная конечно-элементная модель включала 10918 узлов и 10255 четырехузловых элементов. Трехмерная конечно-элементная модель включала 120320 узлов и 84480 гексаэдрических элементов. Расчет напряженно-деформированного состояния выполнен в программе LS-DYNA [1].
|
|
|
| а | б |
| Рис. 7. Конечно-элементные модели воротника: а – двухмерная; б – трехмерная |
|
Результаты расчета НДС воротника представлены на рис. 8...10. На рис. 8 показаны распределения приведенных по Мизесу напряжений (Па) в продольном сечении воротника в различные моменты времени. На рис. 8,а...8,в показано верхнее сечение воротника, на рис. 8,д...8,з - нижнее. Показанные на рис. 8,б и 8,е распределения соответствуют времени окончания сближения прижимного кольца с корпусом уплотнительного устройства и началу радиального движения штока. Показанные на рис. 8,г и 8,з распределения соответствуют времени окончания радиального движения штока. На рис. 8,г видно, что шток поджал внутреннюю манжету воротника, а на рис. 8,з - потерял с ней связь.
 |
 |
 |
 |
| а | б | в | г |
 |
 |
 |
|
| д | е | ж | з |
Рис. 8. Последовательное положение частей системы:
а, б, в, в - верхнее сечение воротника; д, е, ж, з - нижнее сечение воротник;
На рис. 9 показаны распределения приведенных деформаций в воротнике в моменты времени соответствующие окончанию сближения прижимного кольца с корпусом уплотнительного устройства (см. рис. 9,а) и окончанию радиального движения штока (см. рис. 9,б). На рис. 9,б видно увеличение приведенных деформаций во внутренней манжете воротника со стороны сближения штока с корпусом уплотнения и уменьшение приведенных деформаций с противоположной стороны.
 |
 |
| а | б |
Рис. 9. Распределения приведенных деформаций:
а - момент окончания осевого движения прижимного кольца;
б - момент окончания радиального движения штока
На рис. 10 показаны зависимости контактного напряжения между наружной и внутренней манжетами воротника и соответствующими поверхностями корпуса уплотнения и штока от времени. Контактное напряжение вычисляется в характерных элементах воротника (элементах # 64 и 5391), которые расположены в вершинах наружной и внутренней манжеты. Величина контактного напряжения определяет работоспособность уплотнения.
 |
 |
| а | б |
ЛИТЕРАТУРА
1. Hallquist J.: "LS-DYNA Theoretical Manual", May 1998.
2. Kohnke P. ANSYS. Theory Reference. - Southpointe, ANSYS, inc. 1998.
3. Савицкий В.Я., Муйземнек А.Ю. Информационное обеспечение исследований и разра-ботки полимерных уплотнений гидротормозных устройств. Информационные технологии в проектировании и производстве, № 3, 2000. с. 61-66.
