橡胶密封性能评估方法

1.概述

基于接触状态，压力渗透载荷（Pressure-penetrationloads）可以模拟仿真计算周围的液体或空气渗透到接触面的影响。用户可以把流体压力渗透载荷施加到柔体-柔体或刚体-柔体接触对。二维和三维CONTA171、CONTA172、CONTA173和CONTA174面-面接触单元都支持压力渗透载荷。

橡胶的密封性计算的图1

流体压力可以从一个或多个位置渗入到接触面之间。流体压力渗透载荷具有路径依赖的性质。渗透路径可以发展和变化，这取决于迭代计算。在每个迭代开始时，ANSYS首先检测开始承受流体压力的点。然后ANSYS在这些点中根据接触状态是打开或丢失来找出流体的渗透点，此外如果计算中存在接触压力小于用户自定义压力渗透准则中的压力，则这些点ANSYS也被判定为渗透点。

当ANSYS发现存在渗透接触条件的点后，这个点及最靠近这个点的节点都将承受流体压力载荷如图所示。流体压力载荷不能施加到接触状态为张开的面上，除非该面的终点或边缘属于承受渗透压力载荷起始点流体压力从渗透点开始渗透到接触面和目标面之间的界面。当重新建立界面接触时或接触压力大于流体渗透准则压力时，流体渗透可以被中断。

2.施加流体渗透载荷

流体渗透载荷必须使用SFE命令施加到接触和目标单元上。

SFE,ELEM,1,PRES,,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4流体压力仅能施加到接触和目标单元上的角节点处CONTA172、CONTA174、TARGE169和TARGE170单元中间节点上压力通过临近的角节点上的压力平均值得到。VAL3和VAL4不能应用到二维接触和目标单元上。

施加到接触或目标单元节点上的压力值VALi可以常数也可以是表格名。如果是常数，根据KBC命令的设置压力幅值可以是阶跃变化，也可以是斜坡变化。为了定义表格载荷，表格名要放在百分号内，例如%tabname%。可以使用*DIM命令定义一个表格。程序仅支持一个表格并且必须放在VAL1位置，放在其它位置将被忽略。

基于接触状态，流体压力渗透载荷将被自动的施加到接触和目标面上的渗透点。默认下，接触单元的关键字KEYOPT(14)=0，基于当前接触状态，流体压力渗透载荷在迭代计算中会随之变化。在这种情况下，因为接触状态默认设置会引起不稳定的收敛模式。

建议设置KEYOPT(14)=1，这样即便在迭代计算中接触状态发生变化，压力渗透载荷也将在开始计算时的子步就施加到接触和目标单元上，并在随后的子步中保持不变。并且要尽量施加较小的增量，才能获得较精确的解。

当定义流体渗透载荷时，需注意以下几点：

-对于对称接触对的柔-柔接触，仅能将流体压力施加到接触单元上。

-对于非对称接触对的柔-柔接触，一般情况下应该将流体压力施加到当前或计算过程

中周围存在液体的接触和目标单元上。如果没有流体渗透载荷施加到接触对中相关联的接触单元面上，则ANSYS将忽略施加到目标面上的流体渗透载荷。当流体压力渗透载荷施加到接触和目标单元上时，ANSYS必须为接触面和目标面确定渗透路径。确定目标面上的渗透路径的迭代过程非常耗时，特别对于三维接触模型更加耗时。因此，建议使用对称接触对，因为该方法不需要在目标面上指定流体渗透压力。

-对于刚体-柔体接触，必须将流体压力施加到接触单元上。ANSYS将自动在刚性目标面上施加等效的力来平衡施加到接触面上的压力，施加到刚性面上的流体压力将被忽略。

-如果在相同的面上定义了多个接触对，则接触单元可能发生重叠。对于这种情况，要小心将流体渗透压力载荷施加到存在重叠接触单元的面上。

仅能使用SFE命令将流体渗透压力载荷施加到接触和目标单元上，其它的压力载荷命令都是无效的。此外，不能将压力施加到下伏单元上。

-ANSYS会忽略定义在多点约束上的任何流体渗透载荷。

-ANSYS会自动将压力载荷的刚度影响考虑到总体刚度矩阵中。如果计算中存在非对称矩阵并且希望完成对压力载荷刚度的收敛计算，则输入NROPT,UNSYM命令。

3. 指定流体渗透开始点

当已经施加了流体压力渗透载荷，则流体压力会从定义的初始点渗入到接触单元与目标单元之间的界面，可能存在一个或多个开始点（startingpoints）。

通过选择的二维接触的自由末端点或三维接触自由开放边界上的节点，ANSYS将自动的寻找开始点。自由的含义为单元的周围没有完全被周围单元包围，如图所示。

橡胶的密封性计算的图2

开始点最先承受流体渗透载荷。如果接触或目标面是连续闭循环的，则没有默认的开始点。可以使用SFE命令，配合该命令中的SFTAi值进行指定开始点、渗透点以及移除默认的开始点的设置。

为了指定STAi的设置，必须设置SFE命令中的LKEY=2，该命令格式SFE,ELEM,2,PRES,,STA1,STA2,STA3,STA4

橡胶的密封性计算的图3

4.指定压力渗透准则

使用接触单元实常数PPCN能够指定一个压力渗透准则。当接触压力小于准则压力值时，开始点就转换为渗透点，也就是说流体压力开始渗透。因此，较大的临界值将允许流体更加容易发生渗透。当接触压力大于准则压力值时，渗透点转换为开始点，也就是说流体渗透被中断。默认下，渗透准则的PPCN等于0。在默认设置下只有当接触状态为张开时才会发生流体渗透，而当重新发生接触时流体渗透就会被中断。用户可以把PPCN定义为常数或表格数据。表格数据可以被定义为接触点当前位置坐标、接触压力、时间或温度的函数

5.指定流体渗透作用时间

当发生压力渗透时，流体压力被垂直施加到接触/目标面上。与常规的压力载荷相比，施加到子步上的流体压力大小取决于压力是常数输入还是表格输入，同时还取决于是阶跃加载还是斜坡加载。

如果瞬时施加所有的流体压力，则会造成在靠近接触界面附近产出较大的应力梯度，从而造成计算收敛困难。同理，当流体压力突然被移除或突然中断流体渗透，也会导致计算收敛困难。为了稳定计算并提高计算的收敛性，ANSYS提供了斜坡施加流体压力的选项，该选项在一个求解周期中通过多个计算子步线性的增加流体压力进行加载。为了实现斜坡加载，可以使用接触单元实常数FPAT指定流体渗透作用时间。输入正值表示渗透作用时间等于输入的时间乘以载荷步的增量时间；输入负值表示渗透作用时间就是该数值的绝对值。ANSYS的默认值为0.01，则默认的渗透作用时间等0.01乘以当前载荷步的时间增量。

在每一个渗透点，如果当前子步的增量时间小于流体渗透作用时间，即FPAT>(tn-tn-1)，则流体压力在渗透作用时间周期中，从前一个子步施加的压力线性变化增加到总的流体压力，如图2-3所示。如果FPAT<(tn-tn-1)，则施加当前全部的流体压力如图2-4所示。在压力渗透关闭点，如果当前子步的时间增量小于流体渗透作用时间，则流体压力在渗透作用时间周期中从前一个子步施加的压力值线性减小到0，否则流体压力将被瞬时删除。

橡胶的密封性计算的图4