文摘

在这项研究中,有限元仿真模型建立了一个二维液压缸密封结构,实现最优高度非线性的材料和接触密封结构的影响。差距的影响以及单引号和双o形环密封效果检查。这次考试的基础上,参数模型为double-O-rings没有差距,开发适用于液压缸密封。合适的设计变量、目标函数和约束条件确定的参数模型。然后,代理通过约束拉丁超立方体模型拟合和优化方法,插值recmultiquadric径向基函数方法,遗传算法。结果表明,密封和密封槽结构与代理模型通过优化unoptimised结构提供一个优越的密封效果。因此,开发了代理模型和有限元方法的结合可以提供一个理论参考液压缸的密封结构的设计。

1。介绍

运输车辆液压传动已经吸引了相当大的关注,如汽车、轮船、飞机,由于制造业的发展与技术的进步。在液压系统中,结构如阀门、泵、缸液压管接头连接通过一个管道系统。液压管接头、泵、阀和气缸是最基本的液压系统组件,发挥了重要作用的循环气体,水,油系统中(1- - - - - -5]。因为液压管道在高危环境中循环,电力系统,管道密封需要进一步分析(6]。在飞机、船舶、汽车等交通工具,液压密封系统失败时,内部的石油、天然气、污染物和废弃物泄漏。这样的失败也可能导致死亡和重大事故。因此,液压管道密封结构的密封性能大大影响车辆的安全性和可靠性的设备(7,8]。

目前,海豹在中国的研究和生产能力相对较低,和制造商盲目增加海豹在大多数情况下的压缩量来解决液压密封失败的问题(9]。虽然暂时密封的目的是实现当使用上述方法,密封时间和可靠性降低,这可能导致密封损坏等问题。因此,研究液压缸密封结构的密封性能是至关重要的(10]。

一般来说,密封装置的功能组件是上下法兰和中间密封橡胶。因此,密封性能的研究应该从这三个组件的分析开始。密封橡胶的压缩量直接影响到液压缸密封结构的密封性能。此外,大型压缩减少密封橡胶的使用寿命。密封橡胶的横断面形状直接影响密封材料之间的接触面积和上、下法兰预紧力,从而影响密封的应用效率。上、下法兰的结构也会影响液压缸密封结构的密封。差距的大小的槽密封环密封橡胶的变形量的影响,从而影响设备的密封能力。陈等人获得一个o形密封可靠性高于矩形密封之间的接触压力分布和o形环(11]。有限元方法的基础上,周等人提出,减少低法兰的高度接近测量腔的油腔可以降低油压的损失,从而提高密封效率(12]。局域网等人提出了一个方法,使用有限采样点建立代理模型进行intradomain结构分析和多维优化(13];王等人利用遗传算法优化的规模结构,以提高整个结构的性能(14]。

本研究主要应用Ansys Workbench进行有限元分析液压缸的密封,密封圈截面形状相比,法兰槽宽、槽深,优化槽结构通过一个代理模型在MATLAB获得一组最优结构参数的密封橡胶和法兰和实现液压缸密封结构的密封效果最好。

2。模型描述

2.1。几何模型

液压缸的密封有一个典型的对称结构。考虑到密封环的结构的对称性和液压缸,这项研究简化了液压缸三维平面应变问题模拟成一个二维问题的计算。二维轴向密封模型的四个海豹认为在这项研究中,基于国家标准GB / t - 3452.3 - 2005 (15),是显示在图1。

数据1(一)和1(b)显示一个o形环密封结构,和数字1(c)和1(d)代表双o形环密封结构( )。图1(一个)显示一个密封槽的二维模型的示意图与差距,和图1(b)显示一个密封槽的二维模型的示意图没有差距。图1(c)描绘了一个间隙密封模型的示意图,图1(d)描绘了一个无间隙的密封模型的示意图。在非线性有限元模拟计算,必须作出以下假设来减少计算和计算时间:(一)橡胶材料是各向同性和均匀的材料。(b)橡胶材料的蠕变特性是统一在拉伸和压缩,体积变化是微不足道的,当发生蠕变。(c)与液压缸相比,o形橡胶密封的质量可以忽略不计。液压缸的整体模型可以简化为两个维度。

2.2。选择的材料参数

因为密封圈通常是用橡胶制成的材料,具有高度的非线性有限元模拟,本研究采用了Mooney-Rivlin模型用两个参数来表示材料的本构关系和大变形(16]。应变能和压缩常数在上述模型可以表示如下: 在哪里W是应变能;D是压缩常数;C₁和C₂非线性材料的机械性能常数;我₁和我₂分别是第一和第二应变张量不变量;和υ是材料的泊松比(17]。从理论上讲,机械性能常数应该通过拉伸和压缩实验来确定(18];然而,在实践中,不断确定从材料的硬度值(Hs) (19,20.]:

上述公式表明,材料的力学性能常数可以从商品价值和获得 。根据文献[21),的推荐值 一般是0.25。

考虑到油和水阻力,丁腈橡胶是许多橡胶材料选择分析。密封在高压力下的硬度在这项研究是在85年。根据上述公式, , , ,和 。上下法兰的标准钢结构,其弹性模量是200 GPa,泊松比是0.3。

网络分割是一个关键的步骤,当一个模型用于数值模拟分析。他们必须尽可能经常除了单位需要的数量控制。因此,独立分析前通常需要确定元素的大小。作为显示在图2,接触压力的最大值是稳定在4.38 MPa。最后,网格尺寸的上、下法兰,密封橡胶控制小于0.07毫米。网格的液压缸密封系统分为四面体和六面体。网格的数量是14932,和节点的数量控制在约45000。

2.3。接触设置

由于大型摩擦力量密封橡胶和上、下法兰之间,联系方法将摩擦接触,摩擦系数是2×10⁻²。接触算法使用增广拉格朗日乘子方法适应有限变形接触问题。此外,有限元控制方法使用集成点检测方法(高斯点)分析摩擦接触问题[22,23]。

2.4。边界条件设置

有限元分析的密封在这项研究中,一个5.3毫米直径使用丁腈橡胶密封圈。密封槽的宽度B差距是6.3毫米,和密封槽的宽度B没有差距是5.3毫米。单槽的密封槽深度为4.13毫米。第一个力引起大变形,其次力约束的位移降低法兰。三个加载步骤设置。负载的第一步是最初的情况没有任何力量;第二个载荷步涉及预紧负荷的应用,和压缩的密封环(即20%。,1.06毫米);第三个载荷步涉及液压缸的内部压力设置为2 MPa。在仿真,左边是假定的内部液压缸和右侧被认为是外部的一面。因此,2 MPa的压力负荷应用于左边的密封。

2.5。仿真结果和分析

比较结果的单槽密封有无差距显示在图3。

数据3(一个)和3 (b)描述的等效应力云图的单槽密封间隙和云图之间的接触压力密封和上法兰,分别。数据3 (c)和3 (d)描述的等效应力云图单槽无间隙的密封和云图之间的接触压力密封和上法兰,分别。数据3 (e)和3 (f)说明了等效应力云图的双槽密封间隙和云图之间的接触压力密封和上法兰,分别。数据3 (g)和3 (h)双面坡口的显示等效应力云图无间隙的密封和云图之间的接触压力密封和上法兰,分别。平均平均压力和最大接触压力结果展示在表1。等效应力的平均值为2.66 MPa的单槽密封,没有缺口。此外,上述的最大接触压力的差异两个海豹仅为0.001 MPa。双面坡口密封,等效应力和没有差距是2.65和2.64 MPa,分别。因此,在大型压缩的情况下,几乎没有差距的存在与否对密封环的等效应力的影响。

接触压力是影响密封效果的主要因素。当接触压力大于液压缸的压力,密封成功和密封效果成正比的接触压力。比较数据3 (b),3 (d),3 (f),3 (h)表明,单槽密封之间的最大接触压力之间的差距和上法兰和双槽密封间隙和上法兰分别为4.3808和4.3876 MPa,分别。最大接触压力之间的无间隙的单槽密封和上法兰之间的无间隙的双密封槽和上法兰分别为4.3813和4.3888 MPa,分别。单槽密封,最大接触压力没有差距是0.011%高于差距。双面坡口密封,最大接触压力没有缺口高出0.17%的差距。最大接触压力与差距,因为没有差距大于水平无间隙的密封槽变形受到限制。上述数据显示,密封环层的数量大大影响密封效果的液压缸采用两组变量。因此,结构优化进行双层密封的密封槽,密封圈没有差距。

3所示。基于代理模型的结构优化设计

结构优化设计包括确定一组最优解下从设计变量提出了约束。一般优化解决方案过程包括数学模型优化问题,提出了约束根据数学模型,并选择一个适当的方法建立优化模型为一个特定的目标。一般来说,以下参数被认为是优化设计的过程中(24]:(一)设计变量:设计变量参数,产生重大影响的模型(通常用设计变量x)。(b)目标函数:目标函数为优化目标(优化对象),通常表示为f(x)。(c)约束:约束是指设计变量的范围。优化过程中约束的类型包括压力和体积的限制。

3.1。确定设计变量

根据仿真结果提出了部分2.5没有差距,双层密封展品上级其他密封结构的密封效果。因此,双层密封结构是parameterised和模仿,如图1(d)。两个参数,即密封环的直径(D)和密封槽的深度(h),计算由于其高影响密封效果参数模型。此外,上、下法兰的倒角影响密封环的等效应力。然而,在当前使用的结构,密封圈不接触的槽法兰下压缩20%和2 MPa的工作压力。因此,没有考虑倒角为设计变量的研究(25]。

3.2。目标函数的确定

在这项研究中,接触压力的最大值之间的密封圈和上法兰是用于评估密封效果26]。

3.3。确定约束条件

当前的密封环的直径是5.3毫米,和密封环的直径(D根据密封)被设置为4 - 7毫米条件被认为是在这个研究。密封槽的深度(h)必须不低于密封环的半径。此外,必须引起足够的位移上法兰由于预紧力27]。因此,密封结构的数学模型表示如下:

3.4。测试设计

拉丁超立方方法(28,29日)是用于获得实验的测试点。点选择使用这种方法能均匀覆盖整个设计空间。相当大的空间信息可以准确地获得只有少量的测试点。因为上限和下限的设计变量在这项研究改变了改变任何参数,限制拉丁超立方体被用来选择测试点(30.]。

测试点的数量根据以下原则:选择测试点的数量必须是10倍数量的变量。两个设计变量是本研究中使用;因此,选择20分建立代理模型。的平面分布设计变量显示在图中4中,设计变量的值范围的坐标轴表示。

3.5。参数化造型

测试点的选择后,密封环之间的最大接触压力和上法兰计算的所有培训和测试点通过有限元模拟。Ansys Workbench直接用于参数化建模和有限元计算。相应的结果展示在表2。

3.6。代理模型

插值recmultiquadric径向基函数方法(31日- - - - - -33)是用于数据拟合后得到的设计和反应点。总共20%的数据点(5分)作为测试点。响应面和残差的训练点是显示在图5。

10的残余误差训练点⁻⁷(图5),这是远远低于10⁻⁴;因此,代理模型的高度适合训练点。上述模型的均方根误差为0.48的5个测试点。最大应力值之间的差异与代理模型,并在实验中获得的(7.3 MPa)还不到10%,这是在可接受的误差范围内。

3.7。终板结构的优化采用遗传算法

遗传算法(34,35)是用于密封结构的优化设计。最后的迭代结果展示在表3。最大接触压力为7.28 MPa (36]。

3.8。密封结构的可靠性

让X₁,X_2,…,X_n是n影响结构的随机变量函数,该函数可以表示为如下方程: 在哪里X₁,X_2,…,X_n可能是结构尺寸参数、材料的物理性质、结构上的加载。当Z> 0,可以执行目标函数和结构在一个可靠的工作状态;当Z< 0,可能无法执行目标函数和结构变得不稳定;当Z= 0,结构的极限状态或临界状态。在这篇文章中,p_f表示失败的可能性,也就是说。,the probability of the structural functionZ< 0。我们使用f(z)来表示概率密度函数。因此,的概率Z< 0

然而,结构函数应该在实际计算标准化:

标准化后的失效概率可以表示为

可以表示为结构的可靠性

摘要Gram-Charlier系列是用于分解和适合的分布函数,可以表示为 在哪里 和C_n是每个订单的力矩系数。在本文中,为了提高计算精度,六个被选中的顺序计算,显示以下方程: 在哪里是k届中央的时刻Z”,σ^k是k均方误差的能力Z”。

根据上面的有限元分析结果,平均值和均方误差的最大接触压力密封结构的存储和老化后可以计算。结果如表所示4。

根据有限元模拟和代理模型,建立了密封结构的极限状态方程,和相应的最大接触压力下的结构的时候在每个老化周期,和密封结构的可靠性可以根据上面的公式计算。本文选择五个节点中间的o形环的计算。关节密封结构的可靠性的结果如表所示5。

的平均价值五节点被用来代表密封结构的可靠性;可以看出,密封结构的可靠性后10年,20年,25年,30年是0.985,0.929,0.859,和0.801,分别。失败率低于10%是可以接受的普通液压缸密封结构。因此,密封结构仍然可以有效的10年之后。

4所示。比较优化前后的结果

设计变量优化后得到的参数代入模型,使用Ansys Workbench执行和仿真。获得了最大接触压力为7.2794 MPa。上述值之间的误差使用代理模型和相应的结果是0.027%。模型和仿真结果呈现在图6。

图6(一)优化密封模型的显示了一个示意图,图6 (b)云图显示等效应力。图6 (c)说明了云图密封环之间的接触压力和上法兰,和图6 (d)云图显示了最大剪应力。比较优化和unoptimised结构设计结果展示在表6。

根据上述仿真结果,所有的结构,密封胶圈的倒角不接触密封槽的预加载下1.06毫米和2 MPa的工作压力。等效应力有纺锤状分布和更大的接触面积比在其他领域。优化结构的平均等效应力是89.06%高于unoptimised结构。此外,优化结构的最大接触压力为65.83%高于unoptimised结构。最大剪切应力表明密封圈的使用寿命。优化密封结构的最大剪应力低于0.75% unoptimised结构;因此,优化后的剪切应力略微降低。上述结果表明,优化结构具有相当强的密封效果和略微小使用寿命比原来的结构。

5。结论

(一)获得的定性有限元仿真结果表明,液压缸的操作期间,高峰值的等效应力和接触压力总是位于密封环之间的联系和上法兰在预应力状态。因此,液压缸密封的密封效果可以根据最大接触压力的密封和上法兰之间的联系。(b)四个密封结构的有限元分析结果认为在这项研究中表明,无间隙的双o形环的密封效果强于双o形环的差距,无间隙的单o形环,单一的o形环和一个缺口。(c)根据代理模型和有限元模拟计算,优化密封结构的接触压力比原来的高出65.83%无间隙的双o形环。开发了代理模型和有限元方法的结合可以为密封结构的优化设计提供想法不牺牲生活服务。

数据可用性

数据集支持本研究的结论包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(批准号51975092)