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(duì)得到的O型密封圈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展擬合歸類處理，得到計(jì)算O型密封圈疲勞壽命模型，并計(jì)算密封圈上危險(xiǎn)截面單元的疲勞壽命。同時(shí)，利用疲勞分析軟件對(duì)密封圈開展分析，找到密封圈上疲勞斷裂的危險(xiǎn)截面，并計(jì)算出危險(xiǎn)截面節(jié)點(diǎn)上的疲勞壽命。比較斷裂力學(xué)計(jì)算結(jié)果、疲勞分析軟件分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明3種方法得到的危險(xiǎn)截面出現(xiàn)的位置和疲勞壽命基本一致，證明了運(yùn)用斷裂力學(xué)計(jì)算密封圈疲勞壽命的合理性。

O型密封圈構(gòu)造簡(jiǎn)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(dòng)密封時(shí)密封性不受運(yùn)動(dòng)方向的影響，因此被廣泛應(yīng)用在各類機(jī)械設(shè)備上。雖然O型密封圈工作應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服極限，但是長(zhǎng)期工作在周期性的載荷下，密封圈內(nèi)部會(huì)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(kuò)張，最終導(dǎo)致密封圈疲勞失效，對(duì)機(jī)械設(shè)備可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，所以對(duì)O型密封圈疲勞性能研究具有較大的工程意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)、基于損傷力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測(cè)和基于斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展法。S/N曲線主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲取，而橡膠密封圈具有較高的壽命，一般高達(dá)106～108次，如果單純依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取，會(huì)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(jì)下平均壽命，因此應(yīng)用也較少;斷裂力學(xué)認(rèn)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(shí)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(guò)程，因此被廣泛運(yùn)用在橡膠密封圈的疲勞性能研究。

1、斷裂力學(xué)計(jì)算模型

基于斷裂力學(xué)對(duì)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(guò)彈性應(yīng)變能和能量釋放率這兩個(gè)參數(shù)來(lái)對(duì)密封圈裂紋擴(kuò)展開展評(píng)估，彈性應(yīng)變能是密封圈疲勞裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，應(yīng)變能釋放率為每增加單位裂紋所釋放出來(lái)的能量。在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，密封圈的裂紋擴(kuò)速率可用公式(1)表示。

式中:B為材料常數(shù);β為裂紋擴(kuò)展常數(shù)。

4、結(jié)論

(1)運(yùn)用斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展法預(yù)測(cè)了O型橡膠密封圈的疲勞壽命。在預(yù)測(cè)密封圈疲勞壽命時(shí)，結(jié)合得到的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)開展擬合歸類處理，得到計(jì)算O型密封圈疲勞壽命模型，并計(jì)算不同載荷范圍內(nèi)密封圈的疲勞壽命極限。結(jié)果說(shuō)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(yùn)用FEMFAT軟件對(duì)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(xiǎn)點(diǎn)的示意圖。

(3)比較斷裂力學(xué)計(jì)算結(jié)果、FEMFAT軟件分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，危險(xiǎn)截面出現(xiàn)的位置和疲