一种基于有限元分析的制造技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元分析的

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元分析的PTFE油封摩擦扭矩的测算方法


[0001]本专利技术涉及油封摩擦扭矩计算
，特别涉及一种基于有限元分析的
PTFE
油封摩擦扭矩的测算方法
。

技术介绍

[0002]PTFE
油封具有较好的化学稳定性和热稳定性，并且摩擦系数极低，因此广泛应用于发动机
、
变速箱
、
精细化工转子泵以及氢能源行业的高转速压缩机
(
满足氢燃料电池空气流量需求
)。PTFE
油封的摩擦扭矩对减摩降耗
、
轴与油封之间动摩擦配合面的对磨损伤
、
油封寿命
、
密封效果等均有较大影响，因此摩擦扭矩的控制与检测成为油封制造厂家与用户共同关注的问题
。
[0003]现有传统的检测方法均为定制非标设备检测，此类设备的测试轴水平或竖直放置，并采用扭矩传感器或力传感器来传递测量油封密封唇口与轴之间的摩擦扭矩或摩擦力，摩擦扭矩的检测精度受到油封装配偏心
、
传感器精度
、
设备稳定性
、
设备检测值标定等因素的影响
。
一般来说，启动扭矩较大，随着运行速度及温度逐渐平稳后，摩擦扭矩也会波动减低，并逐渐维持在波动较小的范围内
。
[0004]但这种传统的检测方式存在以下问题：
[0005]一
、
由于需要定制非标设备，因此导致试验成本较高，且测量过程需要加工专用测试轴，试验及标定过程繁琐，进而影响了测量效率；
[0006]二
、
针对任何材料或结构变动，即使是参数微调的
PTFE
油封，都需要逐一通过试验获得摩擦扭矩，需要进行大量的重复性工作，无法做到一劳永逸；
[0007]三
、
现有方式都只能获得摩擦扭矩的最终测量结果，无法得知接触宽带上具体的接触压力分布情况，因此无法为产品改进或新产品设计之初提供有效的数据支撑
。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于有限元分析的
PTFE
油封摩擦扭矩的测算方法，包括以下步骤：
[0009]S1
：将需要测试摩擦扭矩的
PTFE
油封放入定型工装中，灌注定型树脂，固化后切片扫描，即可得到油封实际装配到轴上所形成的接触状态和密封接触宽度，记为
x0；
[0010]S2
：根据
PTFE
油封和试验轴的实物结构，1：1分别绘制产品的
2D
轴对称截面仿真模型，将模型导入有限元分析软件中，并进行材料参数赋值
、
网格划分
、
定义接触关系；
[0011]S3
：对
PTFE
油封外径施加固定约束，限制其各向的位移和绕轴旋转自由度，
PTFE
油封唇片一端与油封骨架固连，一端自由；试验轴与油封同心，且可以沿轴向运动，从而与唇片产生接触，自然形成接触宽带；
[0012]S4
：在摩擦系数的取值范围内，首先通过有限元分析软件创建接触对，并将接触对之间的初始摩擦系数设置为
0.1
，选择增广拉格朗日接触算法，并在试验轴上施加位移载荷进行试算，模拟试验轴穿入
PTFE
油封唇口时自动形成密封面的过程；
[0013]S5
：初始试算结果收敛后，在有限元分析软件中将自动生成接触宽带
x
，对比
x
与
x0，并调整
、
修正摩擦系数，重复步骤
S5
计算过程，直到
x
与
x0大小接近，能够满足误差要求时，计算结束，记下此时的摩擦系数
μ
；
[0014]S6
：提取所有0‑
x
接触宽带上所有接触节点的法向接触压力
p
x
，并生成
p
‑
x
曲线，沿着0‑
x
接触宽带进行积分，可得接触宽度上的接触压力为由此可得圆周方向上总的接触压力
F
total
＝
Fx
·
π
·
d
；
[0015]S7
：基于材料的连续性
、
各向同性假设以及经典库伦定律确定出圆周方向上总的摩擦力为
μ
·
F
total.
，然后将总的摩擦力乘以试验轴的半径，即可得到整个接触界面上产生的摩擦扭矩值
T
＝
μ
·
F
total
·
d/2。
[0016]进一步的，步骤
S3
中，
PTFE
油封外径骨架与
PTFE
唇片之间的固定方式为装配压紧或粘接固定
。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018](1)
采用有限元分析的方法取代传统的台架试验，无需定制非标设备，在提高测量效率的同时，还节省了试验成本；
[0019](2)
企业建立自主数据库后即实现了一劳永逸，后续产品测量摩擦扭矩时无需再次建立数据库，直接从数据库中选取相应的动摩擦系数，赋值到有限元分析软件中，即可计算得到摩擦扭矩数值，同时可得到摩擦面上的接触压力分布数据，便于设计工程师识别改进方向，为产品结构改进提供数据支持，既实现了企业研发宝贵经验的积累，又可为企业数字化驱动添砖加瓦；
[0020](3)
本方法将理论与实践相结合，指导企业产品的研发设计，提高
PTFE
油封领域的设计认知和设计水平，不再局限于仅仅对初始条件和试验结果的掌控，更重要的是可以了解过程机理，加深应用原理，使得
PTFE
油封设计与制造从凭经验制造
、
仿造，逐步转型为正向自主设计，实现对材料性能的理解加深
、
掌握不同结构应力及局部受力情况的差异，从而在结构和材料的设计匹配中寻求最优搭配方案
。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图
。
[0022]图1为本专利技术的方法流程图；
[0023]图2为本专利技术中
PTFE
油封实物的固化定型切片示意图；
[0024]图3为本专利技术中
PTFE
油封和试验轴的
2D
轴对称截面模型图；
[0025]图4为本专利技术中有限元分析软件所展示的...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于有限元分析的
PTFE
油封摩擦扭矩的测算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1
：将需要测试摩擦扭矩的
PTFE
油封放入定型工装中，灌注定型树脂，固化后切片扫描，即可得到油封实际装配到轴上所形成的接触状态和密封接触宽度，记为
x0；
S2
：根据
PTFE
油封和试验轴的实物结构，1：1分别绘制产品的
2D
轴对称截面仿真模型，将模型导入有限元分析软件中，并进行材料参数赋值
、
网格划分
、
定义接触关系；
S3
：对
PTFE
油封外径施加固定约束，限制其各向的位移和绕轴旋转自由度，
PTFE
油封唇片一端与油封骨架固连，一端自由；试验轴与油封同心，且可以沿轴向运动，从而与唇片产生接触，自然形成接触宽带；
S4
：在摩擦系数的取值范围内，首先通过有限元分析软件创建接触对，并将接触对之间的初始摩擦系数设置为
0.1
，选择增广拉格朗日接触算法，并在试验轴上施加位移载荷进行试算，模拟试验轴穿入
PTFE
油封唇口时自动形成密封面的过程；
S5
：初始试算结果收敛后，在有限元分析软件中将自动生成接触宽带
x
，对比
x
与
x0，并调整
、
修正摩擦系数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李传敏，朱由锋，刘纯正，王泽鹏，
申请(专利权)人：青岛德纳有限元科技有限公司，
类型：发明
国别省市：