基于workbench的PTFE矩形密封圈压缩回弹仿真分析

研究背景：

近年来随着工业发展和科技进步，高压容器使用场景逐渐增大，使用环境越发苛刻，如高温、高压以及内部压力的波动，这都对容器端面密封性能的要求更为严格。端面密封所用的密封件必须具备优良的回弹性能和耐化学性能。目前常用的密封件由橡胶O形圈、金属密封圈、弹簧蓄能密封圈以及PTFE密封圈等。

研究内容：

PTFE密封圈尽管容易蠕变和老化，但由于其自身良好的化学稳定性以及耐高低温性能，广泛应用于各大行业的密封场合，图1显示了密封圈压缩-卸载过程中的密封特性。与橡胶等超弹性材料不同，PTFE密封圈在压缩过程会产生塑性变形，卸载后不能完全恢复到初始状态。B 点是压缩阶段 A-B-C 中达到密封介质压力所需接触应力的最小值，C点处矩形圈达到最佳密封性能。在卸载阶段 C-D-E中，点D是密封失效所需接触应力的阈值。在仿真中认为，当密封面上的最大接触应力低于密封的介质压力时，密封就会失效。同时，当介质压力迫使密封面分离时，被压缩的矩形圈必须发生回弹来补偿由分离引起的应力损失，保证密封面间的接触应力始终高于密封的介质压力，这要求矩形圈在初始压缩下必须具有足够的回弹量。等效应力（Von-Mises 应力）可以用来评价材料是否发生屈服，此外，等效应力越大的区域，密封圈产生裂纹或永久变形的风险就越大，

图1.密封圈压缩-回弹过程中的密封特性

数值模拟：

考虑到密封结构和受力的对称性，可以将其简化为图中的二维轴对称模型进行仿真分析。当密封件没有沟槽限制时，可使用图2左的模型进行仿真分析，当密封圈放置在沟槽时，采用图2右的模型仿真进行分析。

图2.有限元模型

密封圈的材料为PTFE，在压缩过程中存在塑性变形，采用双线性等向硬化模型来表征材料的力学性能。

图3.材料本构模型

共设置两对接触：（1）盖板与密封圈之间的接触；（2）沟槽与密封圈之间的接触。密封圈表面为接触面，盖板及沟槽的表面设置为目标面，接触类型设置为摩擦接触，摩擦系数取0.1，接触行为设置为非对称，接触算法选择增广拉格朗日，开启大变形，因在计算过程中伴随着材料和结构的非线性，将牛顿-拉普森选项设置为非线性。在模拟矩形圈压缩-回弹过程时，限制沟槽的全部自由度，设置三个载荷步，将压缩过程分为两步，为了防止初始压缩幅值过大，接触面与目标面间发生穿透导致结果异常，第一步对盖板施加向下较小的位移幅值，在该步骤中盖板的位移幅值从0mm 变为0.001mm；下一步将盖板的位移幅值从 0.001 mm毫米更改为达到指定压缩率所需的位移幅值，此时可以施加介质压力，介质压力需使用APDL语言中的“sfe”命令来加载流体渗透压力，它可以根据接触状态自适应地调整加载区域，以此尽可能真实的地模拟密封过程。第三步中，撤去介质压力，将位移幅度设置为0 mm，用于模拟卸载过程。主要结果如下：

图4.密封圈压缩后的等效应力分布（介质压力为0）

图5.密封圈压缩后的接触应力分布（介质压力为0）

图6.密封圈压缩后的等效应力分布（介质压力为30 MPa）

图7.密封圈压缩后的接触应力分布（介质压力为30MPa）