密封件是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部的零部件的材料或零件。在现代工业设计中，尤其是航空航天，船舶，汽车等重工业，密封件的重要性不容忽视。千里之堤，溃于蚁穴，1986 年 1 月 28 日，美国“挑战者”号航天飞机发射升空约 75 秒钟后，突然爆炸，座舱内七名航天员全部遇难。这次事故是航天史上的最大事故。也是损失最大的一次航天事故，损失金额 14 亿美元，其中航天飞机 12 亿美元，携带的卫星 2 亿美元。对事故原因的分析表明，“挑战者”发射升空后，挂在外燃料箱上的一枚助推火箭的密封装置失效破裂，喷出火焰，把装有液态氢燃料箱烧出一个窟窿，引起燃料箱猛烈爆炸，造成了这次事故。

建立有限元模型

本文的研究对象是某汽车配件中橡胶密封件（图一）的性能，针对轴对称几何实体的分析，以往的有限元模型往往是截取一定角度（如 30 度模型）的三维实体模型（图二），采用轴对称约束，运用 ABAQUS/Standard 3D 模型进行分析。本文将直接选取轴对称截面，采用二维实体模型（图三），并运用 ABAQUS/Standard 2D 模型来进行分析。

在 ABAQUS 中，二维单元和三维单元都是实体单元。三维单元由六面体，楔形和四面体组成；二维单元则由四边形和三角形组成，因此同样的旋转实体，相同密度的网格划分条件下，二维单元的数量将远远小于三维实体的数量。本例中同样密度网格划分，3D 模型（30 度模型）单元数目为 25000，2D 模型单元数目为 1200，所以 2D模型中的网格可以更加细密，而不必担心计算时间。由图二和图三的对比可以看出，2D 模型中的网格更加细密了，细化以后的 2D 单元数目为 12000，最大限度地描述了零件的轮廓特征，对接触的模拟也更逼真。

本文中 2D 模型选取的单元类型为 CAX4RH。

图一 密封件示意图

图二 3D 模型

图三 2D 模型

约束及载荷步

本文模拟的是密封件在装配过程中的性能，密封件的材料为橡胶。在不同的温度下，橡胶材料的性能有很大的不同，根据该装配件的实际使用情况，我们设置了低温（-10°），常温（25°）和高温（50°）三个模型。

如图四所示，该密封件用于密封活塞（piston）和腔体（bore）之间的空隙。在装配过程中，密封件和活塞以及腔体之间都存在过盈配合。整个模型以活塞和腔体的与密封件接触的横截面边界线为约束边界。如图边界线1(Line 1)和 2(Line 2)约束 1,2,6 三个自由度。

分析共分 2 个步骤进行（图四）：

一、 密封件（Seal）过盈装配的接触模拟过程

二、 密封件空腔之间冲压过程，模拟紧密配合。

图四 模型描述

分析结果

本次分析前处理采用 Hypermesh 进行网格划分，材料和接触定义，载荷设定等，求解器采用 ABAQUS/Standard 2D，后处理采用 ABAQUS/CAE 与 Altair 公司的 Hyperview。

针对三种使用环境温度的模型，运用 Standard 2D 进行了分析，结果显示，该密封件满足设计要求。常温 25°密封件的应力，变形和接触力如下图所示：

图五 装配应力和变形

图六 装配接触力

图七 施加压强下的应力和变形

图八 施加压强下的接触力

结论

相比 3D 分析模型，ABAQUS/Standard 2D 大大减少了模型的单元数目，缩短了运算时间，节省了经费，并且简单易操作，但是 3D 模型的结果显示更直观，易判断，所解决的问题更广泛。通过实验的验证，ABAQUS/Standard 2D 的分析结果是可信的。

并非所有的 3D 分析模型都可以转化为 2D 分析模型来计算，2D 模型主要应用于几何或载荷轴对称问题，平面应变问题和平面应力问题等， 对于非轴对称模型或者一般几何模型，还是应该采用 ABAQUS/Standard 3D 的分析方法。

资料来源：达索官方