[发明专利]用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法

说明书

本发明公开了一种用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法，用于解决现有橡胶O形圈有限元建模方法复杂的技术问题。技术方案是对轴结构、孔结构和O形圈组成的系统进行结构简化，建立其有限元模型；然后对系统进行自由边界条件下的模态试验，获得固有频率、振型等模态参数；以模态仿真计算结果与模态试验结果的误差最小为目标函数，采用优化算法确定O形圈的弹性模量E，从而获得具有较高精度的O形圈有限元模型。该方法可以获取具有较高仿真精度的轴孔配合结构的动力学仿真模型，进而获得高精度的动力学仿真结果，动力学仿真结果与试验结果误差保持在10％以内，方法简单。

技术领域

本发明涉及一种橡胶O形圈有限元建模方法，特别涉及一种用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法。

背景技术

O形圈是轴孔配合结构最常用的密封方式之一，由于其质量与刚度远小于轴结构和孔结构，因此在进行轴孔配合结构整体动力学仿真分析时，O形圈结构通常被忽略。但是，当轴结构和孔结构之间的连接刚度与O形圈的刚度处于同一个数量级或者轴结构和孔结构之间的连接刚度完全由O形圈提供时，忽略O形圈结构，将导致整体结构动力学模型出现较大误差。

ANSYS等大型通用非线性有限元程序通常采用Mooney-Rivlin模型分析和计算橡胶的力学性能.

文献“液压伺服作动器O形密封圈实验研究与有限元分析[D],哈尔滨工业大学,2011,P31-47”公开了一种橡胶O形圈有限元建模方法，该方法在建立O形橡胶密封圈有限元模型过程中，选用几个参数表示的应变能密度函数来描述超弹性体不可压缩材料特性。而为了确定Mooney-Rivlin模型参数，文献通过对丁腈橡材料的胶哑铃状试件进行等双轴拉伸实验、单轴拉伸实验和剪切实验，根据实验测得的应力应变数据，利用MATLAB软件线性回归和ANSYS软件的计算，求出了试件的Mooney-Rivlin常数，从而为O形橡胶密封圈有限元建模提供材料特性参数。由于橡胶材料的非线性、不可压缩性和大变形性，文献中用试验方法确定橡胶材料力学性能常数的过程繁杂，且试验采用的胶哑铃状模型试件与O形圈结构不一致，其力学性能参数也有偏差，试验件的制备也耗时费力。而且，该种方法以静力学试验确定的材料特性参数多运用于研究材料失效、受压下的变形和可靠性等静密封及微动密封特性分析，对于通过O形圈密封连接轴和孔的整体结构系统的动力学仿真建模，该种方法确定的力学性能参数未必适用。

发明内容

为了克服现有橡胶O形圈有限元建模方法复杂的不足。本发明提供一种用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法。该方法对轴结构、孔结构和O形圈组成的系统进行结构简化，建立其有限元模型；然后对系统进行自由边界条件下的模态试验，获得固有频率、振型等模态参数；以模态仿真计算结果与模态试验结果的误差最小为目标函数，采用优化算法确定O形圈的弹性模量E，从而获得具有较高精度的O形圈有限元模型。该方法可以获取具有较高仿真精度的轴孔配合结构的动力学仿真模型，进而获得高精度的动力学仿真结果，方法简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、O形圈2结构等效。

为了便于建立O形圈2的有限元模型，设定O形圈2装配后的理想状态条件为：

a)O形圈2装入孔结构3与轴结构1构成的O形圈槽后，填满O形圈槽；

b)O形圈2外表面与孔结构3无相对运动；

c)O形圈2内表面与轴结构1无相对运动。

步骤二、建立系统的有限元模型。