[发明专利]一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法

权利要求书

1.一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于包括：

建立含橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽以及密封轴的高压氢气橡胶密封结构有限元模型；

建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；

建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型具体为：

建立气态氢在橡胶材料内部的传输扩散关系；

氢气扩散方程：

其中，C_H为气体浓度，D_H为气体扩散系数；

建立耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型，具体建立方式为：

(a)橡胶材料的一般形式的应变能函数W，也就是多项式形式的应变能函数为：

其中，C_ij为材料常数，I₁，I₂为变形张量的不变量；

(b)柯西应力可由应变能函数导出：

其中，I为单位张量，B为左柯西—格林变形张量，p为静水压力；

(c)应力应变关系为：

其中，ε为真实应变张量；为弹性张量；▽：表示率；

(d)耦合氢致溶胀应变的应变率张量表达式为：

其中，为弹性应变率，为氢致溶胀应变率；

(e)氢致溶胀应变率是各向同性，其表达式为：

式中，为溶解氢引起的单位长度的变形量，其与氢含量有关；δ_ij为克罗内克符号；

基于ABAQUS-UMAT用户材料子程序模块，运用后向欧拉算法实现提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；具体为：通过ABAQUS的质量扩散模块进行氢扩散分析，在橡胶密封圈与高压氢气直接接触之处设定氢浓度为所述橡胶密封圈所承受氢气压力下对应的氢含量，橡胶密封圈无介质压力侧的氢浓度设定为0，从而获得模型载荷边界条件对应的氢浓度分布；

开始施加增量步，在每个增量步迭代开始时通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将求解得到的氢扩散浓度场传递到结构应力场，通过SDV储存初始状态变量值，此时主程序传入当前状态和应变增量，然后计算氢致溶胀应变，运用后向欧拉算法由当前的状态和应变增量，求解应力增量，更新应力和计算雅克比矩阵，将更新后的状态返回主程序，同时返回雅可比矩阵给主程序以求解整体刚度矩阵并暂存状态变量，若迭代不收敛则返回重新迭代，若迭代收敛则然后进行下一增量步的求解，直至增量步结束；

对高压氢气橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获得密封接触应力。

2.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于，所述建立含橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽以及密封轴的高压氢气橡胶密封结构有限元模型具体为：首先对基于ABAQUS建立的橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽、密封轴分别设置材料属性并划分网格，再对其进行装配，随后设置通用接触属性并创建分析作业。

3.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于：所述初始状态变量值包括应力、应变、氢浓度以及应变增量。

4.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于：所述当前的状态包括当时的应力、应变和状态变量。

5.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于，所述对橡胶密封结构进行计算，获得密封接触应力具体为：将过程一建立的高压氢气橡胶密封结构有限元模型和过程三建立的ABAQUS用户材料子程序UMAT联合，使用ABAQUS/Standard对高压氢环境下的橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获取密封接触应力分布，预测高压氢系统中橡胶密封圈在承压状态下密封特性。