圖一、復(fù)雜的汽車密封和工業(yè)密封設(shè)計

 

數(shù)值模擬在越來越多的在產(chǎn)品生命周期的不同階段發(fā)揮著重要作用，由于廣泛的數(shù)值分析，虛擬仿真降低了整個概念設(shè)計和原型開發(fā)階段的成本，使改進(jìn)的原型設(shè)計能夠進(jìn)行物理測試。

 

圖二、用Orpheus模擬齒輪箱

 

市場上有幾種商業(yè)計算工具已被證明非?？煽?，并在不同領(lǐng)域廣泛適用，這些軟件用于一般用途設(shè)計，能夠研究幾種類型的現(xiàn)象，高技能的用戶需要運(yùn)行這些工具，解釋結(jié)果并將其轉(zhuǎn)換為有意義的解決方案。

 

圖三、NBR橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

 

SKF在數(shù)值模擬方面擁有豐富的經(jīng)驗，不僅在使用這些商業(yè)模擬軟件包方面，而且在開發(fā)內(nèi)部計算工具方面也有豐富的經(jīng)驗，SKF工程師每天使用Orpheus和BEAST平臺來提供答案和支持客戶，借助這些內(nèi)部工具，SKF以多種方式和復(fù)雜程度模擬了軸承應(yīng)用，這種經(jīng)驗和這些工具不斷得到增強(qiáng)，具有新的功能和能力，以滿足SKF的數(shù)值模擬愿景，所有部件（軸承、軸、密封件、齒輪和殼體）都作為一個完整的系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

 

圖四、模擬密封件與其剛性相對表面的接觸

 

模擬完整系統(tǒng)的第一步是將密封件模擬為單個組件，最初對單個部件的詳細(xì)關(guān)注涉及SKF在密封件安裝到最終位置后對其性能的更深入了解。

 

密封件的數(shù)值模擬涉及幾個力學(xué)方面，在下文中，簡要描述了這些方面，以概述密封模擬的復(fù)雜性以及SKF正在開發(fā)的技術(shù)，以便為產(chǎn)品工程師提供強(qiáng)大可靠的軟件。

 

圖五、模擬安裝在剛性外殼內(nèi)的大直徑密封件

 

今天進(jìn)行的許多工程計算都基于這樣的假設(shè)，即材料的線性和彈性行為，力和位移線性地依賴于一個常數(shù)，即剛度。橡膠材料通常表現(xiàn)為非線性，僅僅定義一個常數(shù)來將力與位移或應(yīng)力與應(yīng)變聯(lián)系起來是不夠的，相反，橡膠需要能夠處理多軸非線性的更復(fù)雜的本構(gòu)模型。

 

圖六、SKF Seal Designer安裝模擬，無彈簧。

 

其中，超彈性模型通常用于模擬橡膠行為，這些材料模型是彈性的，在一定拉伸范圍之外，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性顯著偏離線性行為，此外，材料響應(yīng)高度依賴于變形的方向。

 

圖七、SKF Seal Designer安裝模擬，帶彈簧。

 

橡膠是最常見的密封材料，因為它使密封件能夠跟隨與之接觸的相對表面（如軸、桿或軸承）運(yùn)動，為了模擬密封件，必須有一種可靠的方法來模擬超彈性材料模型，該模型可以在多個方向上發(fā)生大變形。

 

橡膠是一種幾乎不可壓縮的材料，壓縮或拉伸的橡膠樣品在變形前后的體積變化幾乎為零，這是一種特殊的材料行為，對傳統(tǒng)模擬軟件中的數(shù)值方法提出了挑戰(zhàn)，橡膠的不可壓縮性會產(chǎn)生數(shù)值不穩(wěn)定性，通常表示為體積鎖定。

 

文獻(xiàn)檢索指出，體積鎖定的解決方案是F-bar方法，這需要對文獻(xiàn)中提出的傳統(tǒng)積分方法進(jìn)行修改，在這方面，與學(xué)術(shù)界的合作，特別是與荷蘭特文特大學(xué)的合作，證明了所實施算法的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確性。

 

密封元件需要安裝在工作位置，孔和軸之間有一定的給定干涉，因此，能夠模擬密封件與周圍表面（如殼體、軸、拋石器或軸承）之間的接觸至關(guān)重要。

 

圖八、現(xiàn)有雨刮器密封件

 

為了正確模擬密封件與應(yīng)用程序周圍部件之間的干涉，接觸力學(xué)是軟件工具開發(fā)中的關(guān)鍵要求之一，接觸可以用不同的方式用數(shù)字代碼解決，考慮到通常接觸的材料的性質(zhì)（通常是橡膠對鋼），假設(shè)接觸體之間沒有共滲透，采用拉格朗日乘數(shù)法（密封變形在數(shù)學(xué)上等于周圍反表面給出的約束），而不是懲罰法（通過懲罰函數(shù)強(qiáng)制密封變形，一旦違反約束，懲罰函數(shù)就會激活）。

 

在數(shù)值模擬中結(jié)合以上所有項目的最佳方法是使用有限元法（FEM），事實上，該方法可以通過拉格朗日乘子方法和特殊實現(xiàn)輕松處理超彈性材料模型、大變形、接觸力學(xué)的組合方面，以避免由于材料不可壓縮而導(dǎo)致的數(shù)值鎖定問題。

 

圖九、雨刮器密封，重新設(shè)計以滿足新客戶的要求，更小的外殼，相同的徑向負(fù)載

 

SKF在SKF工程與研究中心的支持下，為其產(chǎn)品工程師配備了基于Orpheus平臺的最先進(jìn)計算工具，即SKF密封設(shè)計器，該軟件的主要功能包括制造（從模具到成品）和性能（安裝在軸上外殼內(nèi)部）預(yù)測。

 

SKF的產(chǎn)品工程師可使用制造模擬功能，以改進(jìn)對密封最終形狀的設(shè)計研究，它還用于改進(jìn)模具幾何結(jié)構(gòu)，由于其成本貢獻(xiàn)，這是整個設(shè)計過程中最重要的部分之一。

 

計算安裝在軸上的密封件的能力是一個附加功能，當(dāng)安裝密封件時，它會在反表面上施加一個力，稱為唇緣力，唇緣力是密封件在靜態(tài)和動態(tài)操作條件下最重要的參數(shù)之一，唇緣力可確保所需的密封性，但也會導(dǎo)致唇緣下的密封摩擦，此外，當(dāng)密封材料老化時，可以使用彈簧來保持足夠的密封唇力。因此，準(zhǔn)確預(yù)測不同操作條件下的唇緣力是模擬工具的關(guān)鍵要求，這將有助于減少設(shè)計迭代次數(shù)，從而縮短新產(chǎn)品的上市時間。

 

SKF Seal Designer為SKF的產(chǎn)品工程師帶來了有限元模擬的力量，該工具使產(chǎn)品工程師能夠評估密封參數(shù)、客戶設(shè)計要求和應(yīng)用要求如何影響密封性能，從而縮短了上市時間。