О некоторых особенностях моделирования уплотнений при помощи Gasket тел

В сборках, требующих плотно соединенённых деталей, часто применяются такие элементы как прокладки. Посредством лучшего обжатия существующих неровностей они обеспечивают герметичность соединений, там, где она должна соблюдаться. Материалами прокладок, в зависимости от давления, которое они испытывают, могут быть резины, фторопласт, паронит, алюминиевые и медные сплавы, а также стали.

Для моделирования поведения тонких уплотнительных соединений в ANSYS Workbench есть специальный инструмент Gasket.

Если уплотнение имеет трёхмерную форму и в процессе обжатия сильно меняет форму (как на рисунке ниже), то Gasket не подходит.

Рисунок 1 – Пример уплотнения, не подходящего для использования Gasket

Если же есть данные для зависимости «Pressure - Closure», то это то, что нужно.

Для создания Gasket тел в ANSYS Workbench необходимо выполнить следующие шаги:

1. В Engineering Data создать модель материала Gasket, указав зависимость Pressure – Closure (Давление – Смещение краёв прокладки).

Тут следует пользоваться результатами испытаний реального материала на сжатие с разгрузкой. Разгрузку можно задавать как по линейному закону, так и по нелинейному.

2. В Static Structural создать тело Gasket одним из двух путей:
   • Указав Stiffness Behavior тела как Gasket. Под телом в дереве проекта появится инструмент Gasket Mesh Control для создания специальной сетки.
   • Указать Stiffness Behavior тела как Flexible. Потребуется вручную в ветви Mesh создать инструмент Gasket Mesh Control.
3. Указать Gasket Initial Gap больше или равный нулю (величина исходного зазора).
4. Решить задачу и просмотреть Gasket Results.

Теперь немного о том, как лучше работать с Gasket моделями, чтобы возникало меньше проблем.

1. Границы контакта.

Поджимаемые поверхности Gasket элементов должны находиться строго между поверхностями основной модели. Чтобы избежать ненужных проблем в решении при деформации прокладок, стоит оставлять небольшие зазоры по краям, как на рисунке ниже.

Рисунок 2 – Примеры расположения Gasket тел в зазоре

2. Местное утолщение.

Если у прокладки есть местное утолщение (как на рисунке ниже), то для более правильного моделирования её работы необходимо поступать так:

Рисунок 3 – Схема прокладки с неравномерной толщиной

Рисунок 4 – Пример прокладки с неравномерной толщиной

Несмотря на то, что в реальности прокладка – это единое тело, в ANSYS утолщение и основную часть прокладки стоит моделировать разными телами с опцией общей топологии («Form new part» в DM или «Shared Topology» – в SpaceClaim). Учесть разность в толщинах можно будет, задав разные зависимости «Pressure - Closure» для разных частей. То есть, указав нулевое давление для материала основной части прокладки на начальном участке графика. К примеру, так:

Рисунок 5 – Пример данных для прокладки с неравномерной толщиной

3. Трансверсальная жёсткость.

По умолчанию прокладки не сопротивляются сдвиговым деформациям, но её стоит задать (если она известна, конечно) для уменьшения проблем со сходимостью.

4. Контакты Gasket тел.
   • Не стоит задавать Frictional контакт на обеих сторонах прокладки. Хотя бы один лучше заменить на Bonded.
   • Лучшие результаты получаются для Normal Lagrange метода и Projection based алгоритма контактного определения.
   • Деление большого контакта на много маленьких снижает время, необходимое для решения.
5. Analysis Settings для работы с Gasket телами.
   • Используйте три шага при проведении анализа (четыре, если необходимо смоделировать ещё и этап разгрузки).
   • По аналогии с работой Bolt Pretention: 1. Преднагрузка -> 2. «Lock» преднагрузки -> 3. «Главные» нагрузки (температуры и давления) -> 4. Разгрузка
   • Для этапов нагрузки и особенно разгрузки стоит добавить подшагов решения.