斷裂力學(xué)的O型密封圈疲勞性能分析

斷裂力學(xué)的O型密封圈疲勞性能分析根據(jù)斷裂力學(xué)中的應(yīng)變能釋放率，制定疲勞斷裂參數(shù)，對得到的O型密封圈實驗數(shù)據(jù)開展擬合歸類處理，得到計算O型密封圈疲勞壽命模型，并計算密封圈上危險截面單元的疲勞壽命。同時，利用疲勞分析軟件對密封圈開展分析，找到密封圈上疲勞斷裂的危險截面，并計算出危險截面節(jié)點上的疲勞壽命。比較斷裂力學(xué)計算結(jié)果、疲勞分析軟件分析結(jié)果和實驗結(jié)果，說明3種方法得到的危險截面出現(xiàn)的位置和疲勞壽命基本一致，證明了運用斷裂力學(xué)計算密封圈疲勞壽命的合理性。

O型密封圈構(gòu)造簡單、成本低廉、安裝方便并且不需要做周期性的調(diào)整，用于滑動密封時密封性不受運動方向的影響，因此被廣泛應(yīng)用在各類機械設(shè)備上。雖然O型密封圈工作應(yīng)力值遠遠低于屈服極限，但是長期工作在周期性的載荷下，密封圈內(nèi)部會出現(xiàn)微小的裂紋，隨著交變應(yīng)力的繼續(xù)，微小裂紋逐漸擴張，最終導(dǎo)致密封圈疲勞失效，對機械設(shè)備可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，所以對O型密封圈疲勞性能研究具有較大的工程意義。

國內(nèi)外對O型密封圈的疲勞失效問題早有一定的研究，主要有基于S/N曲線的疲勞壽命預(yù)測、基于損傷力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測和基于斷裂力學(xué)的裂紋擴展法。S/N曲線主要通過實驗手段獲取，而橡膠密封圈具有較高的壽命，一般高達106～108次，如果單純依靠實驗來獲取，會耗大量的人力物力，所以在工程上應(yīng)用較少;損傷力學(xué)體系尚在形成與發(fā)展之中，并且只能給出在概率統(tǒng)計下平均壽命，因此應(yīng)用也較少;斷裂力學(xué)認定材料內(nèi)部不可防止地存在裂紋、雜質(zhì)等缺陷，這些缺陷隨著時間的積累和載荷的施加，最終導(dǎo)致材料破壞，這比較符合橡膠制品疲勞失效的過程，因此被廣泛運用在橡膠密封圈的疲勞性能研究。

1、斷裂力學(xué)計算模型

基于斷裂力學(xué)對O型密封圈疲勞壽命的研究主要集中在能量釋放法上，通過彈性應(yīng)變能和能量釋放率這兩個參數(shù)來對密封圈裂紋擴展開展評估，彈性應(yīng)變能是密封圈疲勞裂紋擴展的動力，應(yīng)變能釋放率為每增加單位裂紋所釋放出來的能量。在裂紋擴展過程中，密封圈的裂紋擴速率可用公式(1)表示。

式中:B為材料常數(shù);β為裂紋擴展常數(shù)。

4、結(jié)論

(1)運用斷裂力學(xué)裂紋擴展法預(yù)測了O型橡膠密封圈的疲勞壽命。在預(yù)測密封圈疲勞壽命時，結(jié)合得到的具體實驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)開展擬合歸類處理，得到計算O型密封圈疲勞壽命模型，并計算不同載荷范圍內(nèi)密封圈的疲勞壽命極限。結(jié)果說明，密封圈最短疲勞壽命位置一般出現(xiàn)在其被擠入密封溝槽部分。

(2)運用FEMFAT軟件對O型密封圈疲勞壽命開展分析，得到不同載荷下密封圈安全系數(shù)危險點的示意圖。

(3)比較斷裂力學(xué)計算結(jié)果、FEMFAT軟件分析結(jié)果和實驗結(jié)果，危險截面出現(xiàn)的位置和疲