Page 127 - 《橡塑技术与装备》2026年2期
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产品与设计
PRODUCT AND DESIGN
1—外接头 ； 2—上接头 ； 3—心轴 ； 4—外筒 ； 5—存储腔短节 ； 6—运动短节 ； 7—内滑套 ； 8—外滑套 ； 9—圆截面螺旋压缩弹簧 ；
10—O 形橡胶密封圈
图 1 智能滑套二维模型
图 2 O 形圈密封区域简化模型
图 3 O 形圈密封区域局部网格图
虑到石油井下环境具有高温及强腐蚀性等特征，密封
为模拟 O 形圈的预压缩过程，将密封槽设定为固
圈材料选用丁腈橡胶，其泊松比 v=0.499。该材料的
定支撑边界条件，并在密封面上施加位移载荷，使密
邵氏硬度范围通常为 20–90，本研究分别选取邵氏硬
封面与密封槽恰好闭合。为进一步分析压紧过程中密
度为 60、70、80 及 90 四个等级，并据此获取相应的
封圈的接触行为，在 O 形圈与密封槽、密封面之间分
材料参数，详见表 1 所示。密封槽与密封面材料均为
别建立了接触对。在 O 形圈与密封槽构成的接触对中，
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结构钢，其弹性模量为 2×10 MPa，泊松比 v=0.3。
将 O 形圈表面定义为接触面，密封槽表面定义为目标
表 1 不同硬度丁腈橡胶材料参数 面，如图 4（a）所示 ；相应地，在 O 形圈与密封面构
硬度（H A ） 60 70 80 90
E/MPa 3.619 5.542 9.388 20.925 成的接触对中，O 形圈表面为接触面，密封面为目标
C 10 /MPa 0.483 0.739 1.252 2.790 面，如图 4 （b）所示。所有接触类型均设置为摩擦接触，
C 01 /MPa 0.121 0.185 0.313 0.698
摩擦系数取 0.3，并采用广义拉格朗日算法进行求解。
利用该二维轴对称模型进行分析时作如下假设 ：
（1）各向同性，连续均匀 ;
（2）O 形圈的位移、形变是中心对称的 ; 3 结果分析
（3）忽略介质温度变化对 O 形圈材料的影响，分 本研究选取 H A =90 的 O 形圈作为仿真对象，分
析过程中介质温度恒定。 别对其在 7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%、
根据前述参数，在 ANSYS 软件中建立了相应的 22.5% 及 25% 这 8 种不同压缩率下的力学状态展开深
入探究，所获得的压缩变形形态如图 5 所示。从图 5
实体模型，密封槽相关尺寸依据派克（Parker）标准
进行设计。为提升网格质量，所有区域均采用四边形 中可以清晰观察到，随着压缩率的逐步增大，O 形圈
单元进行离散。考虑到 O 形圈为超弹性材料，其弹性 的变形程度呈现出明显的递增趋势。在压缩率较低（如
模量远低于结构钢，为提高计算收敛性与求解精度， 7.5%~15%）时，O 形圈的变形相对较为平缓，整体
对 O 形圈区域进行了网格细化，尤其在接触区域实施 形态虽有变化，但仍能较好地保持近似圆形的轮廓特
了局部加密处理。为合理控制计算规模，对密封面及 征 ；而当压缩率进一步提高（如 17.5%~25%），O 形
密封槽区域的网格尺寸适当放宽，设置为 0.5 mm。而 圈的变形愈发显著，其与接触界面的挤压作用增强，
O 形圈部分则采用 0.2 mm 的网格尺寸，并实施局部 形状逐渐向椭圆状发展，且不同压缩率下的变形差异
加密，如图 3 所示 [13] 。 在视觉上也更为突出，这直观地反映出压缩率对 O 形
圈力学响应及变形行为具有重要影响。
年
2026 第 52 卷 ·75·
