[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

说明书

本发明公开了一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，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；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；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。本发明提出了溶解氢导致的溶胀应变的数学表征，能准确预测高压氢气环境下橡胶密封圈在承压状态下的密封接触应力。

技术领域

本发明涉及橡胶密封圈密封特性预测领域，特别涉及一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法。

背景技术

氢能是新世纪重要的二次能源，高压储氢系统已成为世界各国氢能产业化推进的重点。橡胶密封件是高压氢系统不可缺少的重要组成部分，其密封性能是确保高压氢系统安全可靠运行必须关注的重点。为确保高压氢系统橡胶密封结构的长久、可靠运行，必须对橡胶密封圈在高压氢气环境下的密封特性进行预测与评估。

高压氢系统中橡胶密封圈直接与高压、高纯氢气接触，此过程将会发生氢的吸附、侵入、溶解和扩散，溶解在橡胶密封圈内部的氢将会导致其体积发生明显增加造成橡胶的溶胀(即吸氢溶胀现象)。随着氢气压力的升高，橡胶密封圈的吸氢溶胀愈明显，其如何影响密封特性(尤其是对密封面上的密封接触应力的影响)，目前国内外相关预测方法很少，仍缺乏高压氢系统橡胶密封圈在承压状态下密封特性的数值预测方法。

目前普遍接受的橡胶密封圈密封理论指出，橡胶密封圈密封的基本工作原理为：通过使橡胶密封圈发生弹性变形，使得密封接触面上产生接触应力，使其紧贴在被密封面上并挤入密封面所有微观凹陷，形成封闭的阻断密封带；密封面上的最大接触应力大于被密封介质的压力，则泄漏就不能形成，反之流体则会进入密封件和密封面之间的间隙并导致因表面分离引起的泄漏。因此密封接触应力是橡胶密封圈密封特性的重要表征参量。ABAQUS软件可以对简单工况下的橡胶密封结构进行密封接触应力分布的数值分析，但无法考虑吸氢溶胀的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，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；

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；

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。

优选的，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为基于ABAQUS建立橡胶密封圈、挡圈、密封沟槽、密封轴分别设置材料属性和划分网格，再对其进行装配之后设置分析步和通用接触属性。

优选的，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；