基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法
基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于橡胶材料力学技术领域，涉及一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封 圈轴向形变量的软测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的快速发展，在柔性拧紧装配工艺中，自动化装配逐渐取代了传统 的手工总装，使得装配的效率和一致性得到提高。柔性拧紧装配技术即是采用扭矩一一转 角控制对螺栓部件和螺母部件进行自动拧紧的一项控制技术，其中极为重要的技术指标就 是保证装配接口的气密性。
[0003] 作为密封结构的主要部件，硅橡胶矩形密封圈位于上、下金属法兰之间的密封槽 中，通过上、下法兰的螺栓预紧作用，挤压密封圈使其形变从而达到密封工作状态。而对于 自动化拧紧总装而言，如果拧紧过程中预紧力过大，会破坏密封圈结构致使密封失效；如果 预紧力过小，又会导致配件表面与密封圈接触不充分，从而达不到密封效果。因此密封圈的 轴向形变量成为自动化装配的一个重要的控制目标。但是由于在自动拧紧过程中，橡胶密 封圈往往位于装配件内部，多数工况下又不具备外加测量设备的条件，因此直接测量密封 圈形变量很困难。而采用扭矩一一转角控制策略的自动装配主要是通过反馈回的扭矩判断 与密封圈的接触状况，由于硅橡胶密封圈是具有的高伸展性和低模量的橡胶材料，具有材 料、几何双重非线性和不可压缩性等特点，这些特性给矩形密封圈的接触判断带来很大困 难，严重影响接触判断的精度从而影响自动化总装的可靠性。
[0004] 目前国内外对于检测柔性拧紧装配过程中的橡胶矩形圈轴向形变量的方法很少， 而现阶段通过扭矩间接测量橡胶矩形圈轴向形变量的方法主要依靠试验和经验来判断，这 种判断方式在可靠性和精度方面都存在着不足，同时对生产的安全性添增了不小的隐患。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向 形变量的软测量方法，该方法采用Mooney-RiVlin模型、橡胶单轴拉伸模型和罚函数法，并 通过有限元分析，研宄了密封圈的轴向形变量与装配过程中扭矩的关系，从而实现柔性拧 紧装配中矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法，包括以下步 骤：1)构建橡胶材料的Mooney-Rivlin本构关系模型；2)根据步骤1)中本构关系建立橡胶 材料应变不变量和工程应力的关系模型；3)构建橡胶材料的单轴拉伸模型，计算出由轴向 形变率表示的应变不变量；4)将步骤3)中计算的轴向形变率表示的应变不变量带入到步 骤2)中的应变不变量和工程应力关系模型中，得出由橡胶矩形圈轴向形变率表示的轴向 工程应力应变关系模型；5)采用罚函数将步骤4)中得到的橡胶矩形圈轴向应变率和工程 应力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型；6)最后通 过添加力矩和接触面积将步骤5)推导出的橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数 值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的数值模型，从而实现在柔性拧紧装配中 橡胶矩形密封圈轴向形变量的软检测。
[0008] 进一步，步骤1)中所述Mooney-Rivlin本构关系模型为：
[0009] W = ^0(^-3)+^(12-3)
[0010] I1 = A12 + A22 + λ；
[0011] I2 = λ^Αξ + λ：λ： +
[0012] I3 =
[0013] 其中，W为应变能函数；C1Q、CQ1SM〇〇n ey常数；I ^、、込为应变不变量八力父轴 向应变率（％ ) ; λ^γ轴向应变率（％ ) ; λ 轴向应变率（％ )。
[0014] 进一步，步骤2)中所述的应变不变量和工程应力关系模型为：
【主权项】
1. 一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法，其特征在于： 包括以下步骤： 1) 构建橡胶材料的Mooney-Rivlin本构关系模型； 2) 根据步骤1)中本构关系建立橡胶材料应变不变量和工程应力的关系模型； 3) 构建橡胶材料的单轴拉伸模型，计算出由轴向形变率表示的应变不变量； 4) 将步骤3)中计算的轴向形变率表示的应变不变量带入到步骤2)中的应变不变量和 工程应力关系模型中，得出由橡胶矩形圈轴向形变率表示的轴向工程应力应变关系模型； 5) 采用罚函数将步骤4)中得到的橡胶矩形圈轴向应变率和工程应力的数值模型转化 成橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型； 6) 最后通过添加力矩和接触面积将步骤5)推导出的橡胶矩形圈轴向应变率和工程转 动摩擦力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的数值模型，从而实现在柔 性拧紧装配中橡胶矩形密封圈轴向形变量的软检测。
2. 根据权利要求1所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤1)中所述Mooney-Rivlin本构关系模型为： ff = Qodi^+Coid^) Ix = J2 = + ? + ? J3 = 其中，W为应变能函数；C1(l、CQ$M〇〇ney常数；I^、乂为应变不变量：^为乂轴向应 变率；\2为Y轴向应变率；A3为Z轴向应变率。
3. 根据权利要求2所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤2)中所述的应变不变量和工程应力关系模型为：
其中，心」为工程应力；E^为Green应变张量；Ip12、13为应变不变量。
4. 根据权利要求3所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤3)中所述的轴向形变率表示的应变不变量关系式为：
其中，A为矩形圈轴向形变率，矩形圈轴向设定为X轴；AiSX轴向应变率；A2为￥ 轴向应变率；A3为Z轴向应变率；I12为应变不变量。
5. 根据权利要求4所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤4)中所述橡胶矩形圈轴向形变率表示的轴向工程应力应变关 系式为：
其中，tn为矩形圈轴向工程应力；A为矩形圈轴向形变率；I pl2为应变不变量 为Mooney常数。
6. 根据权利要求5所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤5)中所述橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模 型关系式为： ft= n 其中，tn为矩形圈轴向工程应力；ft为工程转动摩擦力；y为摩擦因数。
7. 根据权利要求6所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤6)中所述橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的关系式为： T = SLft 其中，T为拧紧扭矩；ft为工程转动摩擦力；S为接触面积；L为力臂。
【专利摘要】本发明涉及一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法，包括以下步骤：1)构建橡胶材料的Mooney-Rivlin本构关系模型；2)根据本构关系建立橡胶材料应变不变量和工程应力的关系模型；3)构建橡胶材料的单轴拉伸模型，计算出由轴向形变率表示的应变不变量；4)将轴向形变率表示的应变不变量带入到应变不变量和工程应力关系模型中，得出轴向工程应力应变关系模型；5)采用罚函数将橡胶矩形圈轴向应变率和工程应力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型；6)将橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的数值模型。本方法实现了在柔性拧紧装配中橡胶矩形密封圈轴向形变量的软检测。
【IPC分类】G01B21-32
【公开号】CN104807432
【申请号】CN201510255740
【发明人】林景栋, 游佳川, 黄锦林, 周宏波, 陈俊宏, 吴芳
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月19日
【技术领域】
[0001] 本发明属于橡胶材料力学技术领域，涉及一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封 圈轴向形变量的软测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的快速发展，在柔性拧紧装配工艺中，自动化装配逐渐取代了传统 的手工总装，使得装配的效率和一致性得到提高。柔性拧紧装配技术即是采用扭矩一一转 角控制对螺栓部件和螺母部件进行自动拧紧的一项控制技术，其中极为重要的技术指标就 是保证装配接口的气密性。
[0003] 作为密封结构的主要部件，硅橡胶矩形密封圈位于上、下金属法兰之间的密封槽 中，通过上、下法兰的螺栓预紧作用，挤压密封圈使其形变从而达到密封工作状态。而对于 自动化拧紧总装而言，如果拧紧过程中预紧力过大，会破坏密封圈结构致使密封失效；如果 预紧力过小，又会导致配件表面与密封圈接触不充分，从而达不到密封效果。因此密封圈的 轴向形变量成为自动化装配的一个重要的控制目标。但是由于在自动拧紧过程中，橡胶密 封圈往往位于装配件内部，多数工况下又不具备外加测量设备的条件，因此直接测量密封 圈形变量很困难。而采用扭矩一一转角控制策略的自动装配主要是通过反馈回的扭矩判断 与密封圈的接触状况，由于硅橡胶密封圈是具有的高伸展性和低模量的橡胶材料，具有材 料、几何双重非线性和不可压缩性等特点，这些特性给矩形密封圈的接触判断带来很大困 难，严重影响接触判断的精度从而影响自动化总装的可靠性。
[0004] 目前国内外对于检测柔性拧紧装配过程中的橡胶矩形圈轴向形变量的方法很少， 而现阶段通过扭矩间接测量橡胶矩形圈轴向形变量的方法主要依靠试验和经验来判断，这 种判断方式在可靠性和精度方面都存在着不足，同时对生产的安全性添增了不小的隐患。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向 形变量的软测量方法，该方法采用Mooney-RiVlin模型、橡胶单轴拉伸模型和罚函数法，并 通过有限元分析，研宄了密封圈的轴向形变量与装配过程中扭矩的关系，从而实现柔性拧 紧装配中矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法，包括以下步 骤：1)构建橡胶材料的Mooney-Rivlin本构关系模型；2)根据步骤1)中本构关系建立橡胶 材料应变不变量和工程应力的关系模型；3)构建橡胶材料的单轴拉伸模型，计算出由轴向 形变率表示的应变不变量；4)将步骤3)中计算的轴向形变率表示的应变不变量带入到步 骤2)中的应变不变量和工程应力关系模型中，得出由橡胶矩形圈轴向形变率表示的轴向 工程应力应变关系模型；5)采用罚函数将步骤4)中得到的橡胶矩形圈轴向应变率和工程 应力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型；6)最后通 过添加力矩和接触面积将步骤5)推导出的橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数 值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的数值模型，从而实现在柔性拧紧装配中 橡胶矩形密封圈轴向形变量的软检测。
[0008] 进一步，步骤1)中所述Mooney-Rivlin本构关系模型为：
[0009] W = ^0(^-3)+^(12-3)
[0010] I1 = A12 + A22 + λ；
[0011] I2 = λ^Αξ + λ：λ： +
[0012] I3 =
[0013] 其中，W为应变能函数；C1Q、CQ1SM〇〇n ey常数；I ^、、込为应变不变量八力父轴 向应变率（％ ) ; λ^γ轴向应变率（％ ) ; λ 轴向应变率（％ )。
[0014] 进一步，步骤2)中所述的应变不变量和工程应力关系模型为：
【主权项】
1. 一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法，其特征在于： 包括以下步骤： 1) 构建橡胶材料的Mooney-Rivlin本构关系模型； 2) 根据步骤1)中本构关系建立橡胶材料应变不变量和工程应力的关系模型； 3) 构建橡胶材料的单轴拉伸模型，计算出由轴向形变率表示的应变不变量； 4) 将步骤3)中计算的轴向形变率表示的应变不变量带入到步骤2)中的应变不变量和 工程应力关系模型中，得出由橡胶矩形圈轴向形变率表示的轴向工程应力应变关系模型； 5) 采用罚函数将步骤4)中得到的橡胶矩形圈轴向应变率和工程应力的数值模型转化 成橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型； 6) 最后通过添加力矩和接触面积将步骤5)推导出的橡胶矩形圈轴向应变率和工程转 动摩擦力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的数值模型，从而实现在柔 性拧紧装配中橡胶矩形密封圈轴向形变量的软检测。
2. 根据权利要求1所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤1)中所述Mooney-Rivlin本构关系模型为： ff = Qodi^+Coid^) Ix = J2 = + ? + ? J3 = 其中，W为应变能函数；C1(l、CQ$M〇〇ney常数；I^、乂为应变不变量：^为乂轴向应 变率；\2为Y轴向应变率；A3为Z轴向应变率。
3. 根据权利要求2所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤2)中所述的应变不变量和工程应力关系模型为：
其中，心」为工程应力；E^为Green应变张量；Ip12、13为应变不变量。
4. 根据权利要求3所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤3)中所述的轴向形变率表示的应变不变量关系式为：
其中，A为矩形圈轴向形变率，矩形圈轴向设定为X轴；AiSX轴向应变率；A2为￥ 轴向应变率；A3为Z轴向应变率；I12为应变不变量。
5. 根据权利要求4所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤4)中所述橡胶矩形圈轴向形变率表示的轴向工程应力应变关 系式为：
其中，tn为矩形圈轴向工程应力；A为矩形圈轴向形变率；I pl2为应变不变量 为Mooney常数。
6. 根据权利要求5所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤5)中所述橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模 型关系式为： ft= n 其中，tn为矩形圈轴向工程应力；ft为工程转动摩擦力；y为摩擦因数。
7. 根据权利要求6所述的一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软 测量方法，其特征在于：步骤6)中所述橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的关系式为： T = SLft 其中，T为拧紧扭矩；ft为工程转动摩擦力；S为接触面积；L为力臂。
【专利摘要】本发明涉及一种基于柔性拧紧装配的矩形橡胶密封圈轴向形变量的软测量方法，包括以下步骤：1)构建橡胶材料的Mooney-Rivlin本构关系模型；2)根据本构关系建立橡胶材料应变不变量和工程应力的关系模型；3)构建橡胶材料的单轴拉伸模型，计算出由轴向形变率表示的应变不变量；4)将轴向形变率表示的应变不变量带入到应变不变量和工程应力关系模型中，得出轴向工程应力应变关系模型；5)采用罚函数将橡胶矩形圈轴向应变率和工程应力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型；6)将橡胶矩形圈轴向应变率和工程转动摩擦力的数值模型转化成橡胶矩形圈轴向应变率和拧紧扭矩的数值模型。本方法实现了在柔性拧紧装配中橡胶矩形密封圈轴向形变量的软检测。
【IPC分类】G01B21-32
【公开号】CN104807432
【申请号】CN201510255740
【发明人】林景栋, 游佳川, 黄锦林, 周宏波, 陈俊宏, 吴芳
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月19日
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