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图12 O形圈压缩率和截面直径关系
5.3 对O形密封圈进行Ansys分析
目前,O形密封圈的设计基本上是依赖一些经验数据和定性原则。而O形圈在密封槽内的变形及密封界面上的接触压应力分布是影响O形圈密封性能的重要参数,但要得到精确的解是非常困难的。本文主要利用有限元分析软件Ansys对O形密封圈进行分析了工作条件下O形密封圈的应力的分布。
对O形密封圈Ansys的分析分为下列步骤：
1） 对O形密封圈密封结构几何立体建模
对结构进行有限元分析时，首先需要建立针对结构的有限元几何模型，对于实体建模，描述模型的几何边界，建立对单元大小及形状的控制，然后令ANSYS程序自动生成所有的节点和单元。直接生成法是指在定义ANSYS实体模型之前，必须确定每个节点的为止，以及每个单元的大小、形状和连接。
利用实体建模，相对处理的数据较少，支持使用面和体及布尔运算，能进行自适应网格划分。便于几何改进和单元类型的变化，对于复杂的模型，特别是对三文实体模型更合适，这些都是实体建模的优点。但是，实体建模有时需要大量的CPU时间，对于小型、简单的模型有时很繁琐，在特定的条件下还有可能因程序不能生成有限元网格而导致建模失败。与之相对的，直接生成对于小型或简单模型的生成比较方便，并且能完全控制几何形状及每个节点的单元的编号。实体建模的优点正是直接建模的缺点，直接生成模型不能用自适应网格划分，使得优化设计不方便，改进网格划分十分困难，除了简单的模型外，往往比较耗费时间。
此处，是对O形密封圈密封结构的有限元的实体建模，O形密封圈的结构式由O形密封圈、挡圈、缸体和活塞杆组成的，ANSYS的操作首先是生成关键点，通过O形密封圈、挡圈、缸体和活塞杆的尺寸分别建立图形的节点，接着，通过之前生成的关键点，通过生成面命令，依次选取关键点的编号，从而生成二文的平面。最后是把面拉伸成实体，选取和合适的拉伸路径对其拉伸命令。这样就建立了O形密封圈的密封结构的实体模型。
2） 对密封结构进行网格划分
在完成几何建模之后，需对模型进行网格剖分，生成节点和单元，得到最终的有限元模型。网格剖分过程分为三个步骤，具体如下：
① 设置单元属性
② 网格划分控制
③ 生成网格
有限元模型的主要内容有节点、单元、实常数、材料属性、边界条件和载荷。有限元模型是由简单的单元组成的，单元之间通过节点连接起来，并承受一定的载荷。其中节点的自由度个数与所求解的物理模型有关，单元可以分为点单元、线单元、面单元和体单元。在几何模型建立后，可以对其进行网格划分，生成有限元模型，为施加边界条件、施加载荷进行求解做准备。
在生成节点和单元网格之前，必须定义合适的单元属性，包括如下几项：
① 单元类型
通过单元类型增加命令，分别选取O形密封圈、挡圈、缸体和活塞杆的单元类型，此处O形密封圈和挡圈都选用的是HYPER56，缸体和活塞杆选用的是PLANE42
② 材料属性
通过材料模型命令，通过定义O形密封圈、挡圈、缸体和活塞杆的杨氏模量和泊松比定义材料属性，此处O形密封圈为NBR（丁晴橡胶）弹性模量选取的是0.28GPa，泊松比为0.32；挡圈为PTFE（聚四氟乙烯）弹性模量选取的是1.2GPa，泊松比为0.4；缸体和活塞杆为45号钢，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3
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