通過計算機模擬設計開發橡膠密封件

在大多數情況下，密封件的設計生產（材料、設計和加工過程，即便不說是從所有這三方面考慮產品的開發）仍然是通過返復試驗法來完成。原型是為了測試而建立的，結果是用于改變化合物、形狀或加工過程，然后新的原型被進一步測試，直到達成密封件令人滿意。事實上，即使任何分析都做了，這在制造產品之前很少進行（具體指的是在選擇一個化合物之前，提出一個密封件的形狀，建立模具，原型制造密封件，并對原型進行額定負荷試驗）。不如說，分析通常被要求作為最后的手段，即在事后，才對開發過程中的問題著手故障查找。

這種序貫法開發密封件拖延了進入市場（任何序列的混合、模具、原型和測試都會耗費數周到數月時間）。此外，在原型化過程中的任何變化都會增加過程的預算（而且成本更高，隨后的更改也會發生）。在最后，計算機輔助制造/工程（CAM/CAE）或計算流體動力學/有限元分析（CFD/FEA）的有限整合導致效率低下并缺乏設計創造力（很少有經驗單獨滿足，并且你需要使用現代工具和可重現的模擬）。此外，公司對任何工作解決方案有所躊躇，因為他們很少有時間/金錢/興趣來試圖通過模擬優化這樣的解決方案（即使模型已經建成，這應有助于進一步達到限制材料、設計和加工過程，為應用優化進行診斷）。

如今的產品開發應將材料表征與參數化CAD（計算機輔助設計）和CAD/CAE相結合，以合理的精確度（小于15%錯誤）。產品仍然需要通過“假使……將會如何？”過程。然而，這些操作發生在虛擬世界中：它們是通過FEA/CFD軟件由計算機生成的。

計算流體動力學/有限元分析密封件特性

密封件的數值模擬需要采用非線性粘彈性有限元分析。非線性起因于：（1）大轉動或轉換：（2）接觸（密封件與配件之間，變形和剛性，例如在橡膠軟管的內外孔上變形的接頭和插孔，在完全外部、剛性的、卷曲的橡膠軟管總成的模具）；和（3）橡膠非線性響應載荷或應變。橡膠涉及所有列出的非線性成分的來源，使組成分析“完全”非線性。特別是有限元軟件中的本構材料模型也是非線性的，仔細的實驗室測試是可靠地確定分析橡膠參數的先決條件。

盡管如此，建模密封件需要對制造過程的理解和量化。這種影響涉及任何薄弱區域的位置（熔接痕、閃蒸、氣泡），或尺寸穩定性（由于收縮和翹曲的標稱尺寸公差，最小實體狀態[LMC]和最大的實體狀態{MMC]，以及時間效應，后者需要在時間和溫度方面進行更多的密封件試驗）。盡管如此，CFD應該對密封件的加工進行監測；然而，三維成型或擠出模擬代碼如Moldex3D和虛擬擠出實驗室要求測量非硫化橡膠的數據或有關壓縮實驗室所探討的經表面調整后的模型。

橡膠超彈性

橡膠等級測試的一個目的是確定在本構方程中的參數（常數和函數），這是任何密封件開發的先決條件。此類方程式用于表示橡膠的超級粘彈性行為，用于任意拉緊或荷載歷史。對于傳統材料，如鋼或剛性塑料等，用于設計目的的廣泛使用的材料參數的一個例子是線性彈性系統中的楊氏（或彈性）模數。無論如何，橡膠在加載開始時發生了非線性的變形，并且在超過幾個百分比的情況下仍有能力維持可逆應變。因此，相比于線性材料，需要更多的參數來表征橡膠化合物；這些都有待在明確的應變場下對實驗室樣本進行測試。同時依賴于非線性粘彈性有限元軟件的能力來預測密封件的大變形粘彈性響應；這些包含需要在任何建模之前確定參數的本構方程。在一個給定的本構方程的橡膠特性通常是唯一的；所以需要重復為每個混合物進行測試，且重復測試條件每自不同（包括溫度、老化媒介和周期）。

彈性理論

應變能密度函數－U，代表彈性體的超彈性行為，可以根據應變不變量的多項式。該多項式中：

Cij 是里夫林系數；

Di 定義材料的壓縮性；

R表示隨溫度變化的體積；

I1=λ12+λ22+λ32；

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ1λ3)2；

彈性容積比 J=λ1λ2λ3；

伸長λi=1-□i，隨著□1、□2 和□3主應變。

它們也可以根據拉伸比－λi。這兩種形式的系列分別代表應力和儲能體積分量。常數Cij、αi、μi和Di將從適合測試數據的曲線中確定。

橡膠內超彈性體測試

橡膠可以在(1)單軸、(2)相等雙軸、(3)曲面和(4)體積四種主要模式下獨特形變。此外，每種模式都可以是拉伸或壓縮，在“時間計算起點”上八次測試以表征類橡膠材料(相較于線性材料的單一測試，例如為設計目的的剛性塑料或金屬)。而且，通過橡膠ASTM標準方法，只有單軸變形模式可被看到，而其它剩余的橡膠測試模式仍是一個研究和發展的課題。圖1顯示了一個密封件依據ASTM D412，在單軸延伸下復合壓模進一個拉伸件；盡管后者只是輔助拉伸、伸長和模數等物理性能的測定。英斯特朗攝像機可以追蹤樣品微細的伸展，充足的結果建立在有限元分析所需的充分標稱(工程學上)的應力應變曲線上。

圖1、根據ASTM D412，在單軸延伸下，一個密封件復合壓模進一個拉伸件，采用一臺英斯特朗攝像機追蹤樣品微細的伸展，以便允許充足的結果建立有限元分析所需的全標稱(工程學上)的應力應變曲線

橡膠流變學

任何橡膠化合物都是一種非常復雜的多相、多元、多相互作用的體系，其中粘度是流變性能最重要的表征。影響橡膠粘度的因素包括聚合物類型、濃度、粒徑和分布、乳化劑、溫度和剪切速率。更進一步的流變參數包括:比熱容、相對于壓力和溫度的比容積 (PvT)、導熱系數、熔體密度、注射溫度、不流動溫度(凍結溫度)和硫化。

剪切粘度數據

在聚合物流變學實驗室諸如英格蘭的Rapra科技公司，或紐約伊薩卡島的DataPoint實驗室進行測量，均使用精密毛細管流變儀。這些數據是在代表橡膠測試工藝范圍的三個等溫過程溫度下產生的。溫度/剪切速率測試使用相同直徑但不同長度的兩個毛細管模(L/D長徑比)進行。數據饋送巴格萊的端部修正公式，以消除入口和出口壓力的影響。結果是校正粘度特征與試驗毛細管內的穩態剪切流動有關。然后這樣校正的實驗粘度被直接輸入Moldex3D軟件或 VEL，在任何CFD（計算流體力學）模擬之前，操作員可以選擇各種粘度模型。DataPoint實驗室需要兩磅的小球來表征塑料的流程分析，而英國Rapra的工作則是用兩磅橡膠且不硫化來產生粘度數據。

設計參數的界定

毫無疑問，開發一個密封件需要了解其功能極限(不幸的是，往往是制造公司并不了解；例如，有多大的壓縮下使橡膠墊圈密封，以及其幾何結構變化如何發生？)。設計參數取決于其實際應用，包括加工效果(如熔合紋、尺寸公差和批次變化性等的存在及其嚴重程度)。

對密封的最小壓力

密封件需特別關注的是，一個密封組件的最小實體狀態（LMC）應能應付接觸壓力并可超過其在輕微壓縮下的壽命。這意味著需進行進一步的實驗，以確定密封件最小的壓力: 圖2顯示了一個WIDL設置的壓縮方形截面環形墊圈，然后將其內側孔加壓直至密封；對每個化合物及其表面處理進行重復測試，并且為每個指定溫度和在預定的熱和/或流體中老化后的環型密封墊圈進行測試。通過將載荷除以環形墊圈的標稱橫截面作為泄漏率和壓縮變化量的斜率來計算密封的最小壓力。

圖2、WIDL設置壓縮一個方形截面環形墊圈，然后將其內側孔加壓直至密封；通過將載荷除以環形墊圈的標稱橫截面作為泄漏率和壓縮變化量的斜率來計算密封的最小壓力。

壓縮應力松弛

一個補充的測試應該記錄橡膠壓縮應力松弛(CSR)的特性(包括預測密封的時間；也就是說，密封會持續多久？)。許多公司開發了內部 CSR設備，以解釋聚合物的粘彈性效應(包括WIDL)。瑞典Elastocon在硫化橡膠樣品(按鈕或墊圈)上提供了CSR市場上唯一的機器。這個想法是預壓縮一個彈性樣品，并將其放入烤箱，然后監測其隨時間和溫度的壓縮反應衰變，標稱應力是通過測試墊圈或按鈕的標稱截面的反應記錄來計算。這樣的測試可以被看作是一種現代版的傳統壓縮永久變形測試，結果是一個單一的數字(或在熱/流體壓縮一周期后彈性樣品集的數量)。壓縮應力松弛試驗結果通過曲線上對數據采樣進行提煉，獨立于操作員，減少了測量誤差。

摩擦特性

另一個設計參數可以是裝配或驅動一個涉及橡膠構件的系統的作用力；實際案例可包括在不同材料的接頭上安裝橡膠軟管，比如在醫療領域。

在加拿大溫莎大學的一個測試儀器，WIDL使用的包括應用各種正常重量的彈性樣品安裝到更堅硬的基底上，然后以不同的速度拖拽裝配組件在代表接觸的配合面上，配合面可以平滑或不平滑。

從一個彈性體到另一個彈性體，改變接觸的一些負載，這取決于開始測試的時間。此后，負載(保持一個樣本沿裝配組件移動)的波動稍微取決于速度、接觸面積和正常重量的量級。平均值可以作為摩擦系數，或對拖拽移動量的反應，該移動量可以通過通用有限元軟件的子程序，如 ANSY實現編程控制。

用有限元分析法進行橡膠密封件建模

用有限元分析法對密封件或密封系統的性能進行建模需結合四種成份: (1)在非成型狀態下密封的幾何形狀；(2)一個模型代表制作某密封件的橡膠(除了在系統中模制每個變形部件的材料)；(3)邊界條件例如接觸與制約和(4)荷載。

幾何結構

現有或新的密封產品的幾何形狀需要在計算機輔助設計(CAD)軟件(如CadKey、AutoCad、Pro/Engineer等等)以不變形的方式繪制，然后以本機格式(通過一個插件功能)或通過格式轉化(DFX、IGES、STEP等)轉移到有限元分析預處理器中，通常是使用標稱尺寸(LMC和MMC可以作為敏感性分析運行)。涉及密封件的裝配組件中的其它部件也應該被繪制，如果變形，隨后還是可以用裝配組件的剛性線或曲面相交變形部分來表示。

材料模型

密封件應由超彈性類型的材料模型來表示，適合于通過測試樣品產生的實驗室數據，數據在加熱老化或在指定的溫濕條件下的流體中老化后獲得。由于許多模型是需要運行裝配組件性能的有限元分析，這些可以是彈性、彈塑性、正交各向異性類型，比如在不太變形的塑料，橡膠管和補強布上的卷曲墊圈。一般材料的數據可以從文獻中獲得，但通常，具體的特性需要在模擬產品的工作條件下進行詳細的實驗室檢測。

邊際條件

初步分析應簡化密封系統，考慮到通過裝配組件的二維橫截面和平面應力，平面應變或通過具空間循環對稱性的裝配組件的部分軸對稱情況(和限制在切削平面的應用)，或集中于因適當的邊界條件造成的局部影響，以解釋在建模時所忽略的其它系統。密封應用中的剩余部份可以歸入于邊界情況(限制)。然而，位于剛性或軟性組件接口的彎曲密封，可能接觸波紋管本身，會受到邊界條件的影響(如剛性到變形接觸、變形到變形接觸和自身接觸)。后者的邊界條件是非線性的，應在初期的分析中加以限制，直至獲得更好的有限元分析建模。

圖3、表示帶有外插口的橡膠軟管的插入，在CAD中，在接頭和卷曲模具上，在軟管總成的變形時橫截面突出顯示徑向(密封)應力，此時，卷曲、接頭、橡膠軟管、外部插孔、所有變形、剛性，均在一個位移控制的完全非線性有限元分析中

圖3是一個復合軟管在卷曲時其顯著變形的橫截面，適合于能源、石油和天然氣工業井下工具的高壓情形的個案。

載荷

有限元模型可以在位移或載荷控制下進行，或者兩者的組合，特別是在密封分析中。由于材料和幾何非線性及可能的接觸，密封的有限元分析應是漸進的和反復的應用位移(例如，拉伸橡膠軟管到接頭)和負載(例如，加壓的橡膠軟管拉長到接頭)。在模型構建中，有經驗的分析師仍然可以在超過大量的增量之上(為迭代過程的緩慢進展)應用一小部分負載，以證明模擬結果。

使用計算液體動力學進行密封件建模

加拿大魁北克市的布奇威爾工業材料研究所和麥迪遜市威斯康星大學的聚合物工程中心等研究機構專門從事為表征聚合物的計算液體動力學過程模擬和軟件開發及相關實驗，所以他們當然可以看到特殊和復雜的過程，例如制造密封件的浸漬過程。

商業軟件如Moldex3D和VEL用于更常見的過程，如注射成型和擠出。

計算流體動力學密封件的成份如用有限元分析模擬密封件的性能，對此類產品(模具和產品)的加工建模應結合: (1)密封件和模具的幾何形狀，(2)橡膠的流變性，(3)工藝條件。

幾何結構

需要在生產過程中提高生產率的產品，一個麻煩的應用程序跟隨變化，抑或說一個等待模具的產品，要在CAD中轉移到一個預處理器以便互相協調。通常，特別是對于密封件，幾何表示需要在CFD中完成。該部分指明了模具中的型腔或在模具或系列模具中建立切口，將聚合物擠出成所需要的外型。在CFD過程模擬中，模具往往不建模；把聚合物從生產機器到制成成品零件的流道由管狀單元表示。

材料模型

大多數商業或研究軟件都有內部材料數據庫，可用于篩選分析。對于更精確的過程建模，特別測試應該特別進行(只有一次，只要同一個聚合物在其它產品中使用)，因為這些往往恰好超出了彈性體供應商所能提供的支持服務范圍。聚合物過程模擬的關鍵是粘度，在生產中設置(壓力、孔口大小、溫度)，此外，比熱容、PvT、導熱系數、熔體密度、脫模溫度、不流動或凍結溫度和硫化等也應考慮。

工藝條件

成型條件包括沖壓和模具特性。成型過程(注射、擠出、鑄造)是復雜的。盡管如此，大多數樹脂加工在試圖解決粘性物質流的納維-斯托克斯方程式結合到傅里葉傳熱理論和牛頓第二定律的平衡關系方面具有相似的背景。迫使樹脂將移動到零件、聚合物和制造設備的溫度，以及在每個生產周期加熱和冷卻聚合物和機器時的熱力學，都是CFD模擬所需的參數。

圖4、在汽車工業中氣門蓋壓入式墊圈的注射模制合成橡膠的流動；該部分表明了模具中的空穴，計算液體力學允許在生產周期中呈現出適時的流動前沿和壓力、速度和溫度的輪廓。

圖4顯示了汽車工業中氣門蓋壓入式墊圈的注射模制合成橡膠的流動。

測試

現在，無論是多么精細的一個密封件或一個進程的模擬，都應該允許客戶(和最終用戶)質疑模型準確性，并要求實際試驗以確認適合于應用和具可制造性。反過來，測試人員會根據其復雜性來質疑他們的實驗。盡管如此，一些公司繼續將他們最好的想法放進原型進行測試、修正和再次測試，這是眾所周知的代價高昂和耗時的反復試驗法，并時有對工作方案躊躇不前(有時遠遠沒有可選的最佳解決方案)。

及格與不及格測試

在日?；顒舆^程中，密封件制造商特別需要取樣和測試產品或工藝。通常，收集所涉及到的是有關溫度、壓力、效率等所謂的連續/定量可變數據。從本質上來說，這樣的記錄提供了令人羨慕的測量精度，從而使小樣本沒有伴隨著統計功效的損耗，目的是盡量減少對測試產品做出錯誤決定的風險。

然而，產品開發人員經常被迫來抽樣和測試一個產品或過程，其中收集的唯一信息是它是否符合兩個可能的結果之一，比如“及格或不及格”測試。這類信息會突然間斷，導致不連續值的分配，比如“是或否”、“繼續或不繼續”、“0或1”，或“及格或不及格”，很少去了解密封件的性能或改進其加工過程，更不用說優化。

相關模擬

在許多行業中，隨著模擬進一步集成到產品開發周期中，模擬和物理測試的作用發生了重大變化。與CAD相關的加工模擬(CAE)有助于創建有限元分析模擬器，但不是用于密封件。盡管如此，一個重大的挑戰仍然是讓不參與模擬的部門接受預測以作為工程決策的基礎。這是將有限元分析關聯到物理測試，以幫助構建模擬可信度。即使在公司內部或分包合同執行有限元分析，傳統上物理測試被用于產品開發的過程，隨著產品“及格或不及格”的反復試驗，最終設計產品被釋放到生產制造上。隨著模擬設計到產品開發中，以協助驗證設計(密封件成型)和加工(可制造性)，測試的作用已演變為幫助表征材料和相關模擬。測試沒有改變項目類型(即應變、溫度、壓力等)，然而，何種結果被誰收集和使用，正在變得不同以往。

加速試驗

傳統的壽命分析依靠在正常服務條件(通常的材料狀況，平均幾何大小和教科書所述的加工處理)下的失效時間數據(例如密封件)。根據如今產品的復雜性，在設計和付諸生產之間的短時間段，以及在正常(實時)條件下測試的挑戰，在許多情況下，即便有可能，這樣的壽命數據也難以獲得。加速試驗一般可分為：(1)定性測試（扭折或振動和高溫試驗）、環境應力篩選(ESS)或老化，以及(2)定量快速壽命測試。

與定性測試不同，加速壽命測試提供了可靠性數據，例如產品失效的概率、其在使用條件下的平均壽命及其預計的回報成本和保證成本?？煽啃詳祿€為性能、設計、加工處理等提供風險評估。加速壽命試驗可以采取使用率加速或過應力加速的形式。然而，加速壽命試驗應力和應力水平會加速所考慮到的失效模式；但是，它們不應引入在服務中絕不會發生的失效模式。

總結

簡而言之，對于大多數產品開發群體，在整個設計過程中，對模擬的積極使用可以獲得更高質量、更具創新性的產品，而與使用傳統的原型和物理測試方法相比，可更快速、更有效地引入市場。在過去的幾年里，有幾位分析家做了這種觀察。阿伯丁集團于2006年10月發表的“模擬驅動設計基準定位報告”特別強調，領先公司在早期使用模擬，往往比他們所在行業的后來跟進者更有效。然而，即便是恰當地應用模擬的公司，通常也未能捕捉、管理和重復使用數據，且未能獨特地描準以不斷改進材料、設計和過程為目的的建模。產品開發應結合(1)材料表征，(2)設計參數定義，(3)性能有限元分析和計算流體力學處理，以及(4)預測與現實的相關性。然后實現加速開發產品。如果沒有這些，產品開發人員不能指望過程的效率和一致性，特別是對于諸如橡膠密封件所固有的非線性行為。