一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Finite Element Method for Predicting the Sealing Characteristics of Rubber Seals in High Pressure Hydrogen System

The invention discloses a finite element method for predicting sealing characteristics of rubber sealing rings in high-pressure hydrogen system, including: establishing finite element model of high-pressure hydrogen rubber sealing structure with rubber sealing rings, retaining rings, sealing grooves and sealing shafts; establishing hyperelastic constitutive model of rubber material coupled with hydrogen-induced swelling strain; and based on ABAQUS. UMAT user material subroutine module, using backward Euler algorithm to achieve the proposed hyperelastic constitutive model coupled with hydrogen-induced swelling strain, calculates the high-pressure hydrogen rubber seal structure, solves the stress and strain, and obtains the sealing contact stress. The invention provides a mathematical characterization of swelling strain caused by dissolved hydrogen, which can accurately predict the sealing contact stress of rubber sealing ring under pressure under high pressure hydrogen environment.

【技术实现步骤摘要】
一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是：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。本专利技术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，CH为气体浓度，DH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，Cij为材料常数，I1，I2为变形张量的不变量；(b)柯西应力可由应变能函数导出：其中，I为单位张量，B为左柯西—格林变形张量，p为静水压力；(c)应力应变关系为：其中，ε为真实应变张量；为弹性张量；表示率；(d)耦合氢致溶胀应变的应变率张量表达式为：其中，为弹性应变率，为氢致溶胀应变率；(e)氢致溶胀应变率是各向同性，其表达式为：式中，为溶解氢引起的单位长度的变形量，其与氢含量有关；δij为克罗内克符号。优选的，所述基于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；具体为：通过ABAQUS的质量扩散模块进行氢扩散分析，在橡胶密封圈与高压氢气直接接触之处设定氢浓度为该工作压力下对应的氢含量，橡胶密封圈无介质压力侧的氢浓度设定为0，从而获得该边界条件对应的氢浓度分布；开始施加增量步，在每个增量步迭代开始时通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将求解得到的氢扩散浓度场传递到结构应力场，通过SDV储存初始状态变量值，此时主程序传入当前状态和应变增量，然后计算氢致溶胀应变，运用后向欧拉算法由当前的状态和应变增量，求解应力增量，更新应力和计算雅克比矩阵，将更新后的状态返回主程序，同时返回雅可比矩阵给主程序以求解整体刚度矩阵并暂存状态变量，若迭代不收敛则返回重新迭代，若迭代收敛则然后进行下一增量步的求解，直至增量步结束。优选的，所述初始状态变量值包括应力、应变、氢浓度以及应变增量。优选的，所述当前的状态包括当时的应力、应变和状态变量。优选的，所述对橡胶密封结构进行计算，获得密封接触应力具体为：将过程一建立的高压氢气橡胶密封结构有限元模型和过程三建立的ABAQUS用户材料子程序UMAT联合，使用ABAQUS/Standard对高压氢环境下的橡胶密封结构进行计算，求解应力应变，获取密封接触应力分布，预测高压氢系统中橡胶密封圈在承压状态下密封特性。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1、本专利技术提出了溶解氢导致的溶胀应变的数学表征，使用ABAQUS-UMAT用户材料子程序来数值实现所建立的将吸氢溶胀应变耦合的超弹性本构模型，该模型同时考虑了氢浓度场与结构应力场的耦合作用，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。附图说明图1是本专利技术高压氢气橡胶密封结构有限元模型图；图2是本专利技术对所提出的耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型的UMAT数值实现流程图；图3是橡胶密封圈最大密封接触应力—氢气压力的曲线图；图4是工作气体压力为100MPa下考虑与不考虑吸氢溶胀对应橡胶密封圈的密封接触应力—密封接触宽度曲线图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，过程如下：一、建立含橡胶密封圈1、挡圈2、密封沟槽3以及密封轴4的高压氢气橡胶密封结构有限元模型；二、建立橡胶材料耦合氢致溶胀应变的超弹性本构模型；三、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；四、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1、挡圈2、密封沟槽3以及密封轴4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1、挡圈2、密封沟槽3、密封轴4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，CH为气体浓度，DH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，Cij为材料常数，I1，I2为变形张量的不变量；(b)柯西应力可由应变能函数导出：其中，I为单位张量，B为左柯西—格林变形张量，p为静水压力；(c)应力应变关系为：其中，ε为真实应变张量；为弹性张量；表示率；(d)耦合氢致溶胀应变的应变率张量表达式为：其中，为弹性应变率，为氢致溶胀应变率；(e)氢致溶胀应变率是各向同性，其表达式为：式中，为溶解氢引起的单位长度的变形量，其与氢含量有关；δij为克罗内克符号。优选的，所述基于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；具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于包括：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。

【技术特征摘要】
1.一种预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于包括：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。2.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的预测高压氢系统橡胶密封圈密封特性的有限元方法，其特征在于：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，CH为气体浓度，DH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，Cij为材料常数，I1，I2为变形张量的不变量；(b)柯西应力可由应变能函数导出：其中，I为单位张量，B为左柯西—格林变形张量，p为静水压力；(c)应力应变关系为：其中，ε为真实应变张量；为弹性张量；▽：表示率；(d)耦合氢致溶胀应变的应变率张量表达式为：其中，为弹性应变率，为氢致溶胀应变率；(e)氢致溶胀应变率是各向同性，其表达式为：式中，为溶解氢引起的单位长度的变形量，其与氢含量有关；δij为克罗内克符号。4.根据权利要求1所述的预测高压氢系...

【专利技术属性】
技术研发人员：周池楼，杨运锋，陈国华，罗小平，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44