有限元仿真在金屬膨脹密封堵頭上的設計應用

鴻創公司的金屬膨脹類密封堵頭產品，球漲式堵頭、拉漲式堵頭、螺紋拉漲式堵頭等；已具有10多年的廣泛應用經驗，在工業及行走機械液壓、新能源汽車電驅、智能懸架、線性底盤制動系統、變速器、渦輪增壓器、醫療耗材等有諸多行業應用和經驗。作為本地化、國產自主堵頭的國內核心供應商，鴻創堅持用現代化的設計理念和工具，不斷的打磨產品、優化產品，為客戶提供超過高品質、高性價比的優質產品。

鴻創公司從產品設計階段，就用專業的仿真軟件去模擬可能存在的問題和風險點，修改設計、樣品試制、實踐驗證，再次優化等等諸多環節去保證高品質的密封堵頭產品，正因為有這樣的精益求精，不斷鉆研，不斷優化產品性能，使得鴻創公司膨脹密封堵頭產品越來越多的讓客戶信任和滿意。

01背景和目的

金屬拉脹式密封堵頭（以下簡稱“堵頭”），是在汽車領域應用特別廣泛的一類工藝孔封堵方案（見圖1.1）。其裝配原理是用專用工具拉動堵頭的芯桿相對于襯套運動，驅動芯桿頭部擠入襯套中，芯桿頭部擠壓使襯套產生徑向膨脹的變形，襯套膨脹與工藝孔產生擠壓力，最終在達到預期的密封效果后，芯桿斷裂完成安裝。

通過對堵頭安裝過程的力學行為分析，總結其關鍵特性如下：

a）芯桿頭部與襯套的過盈量；

b）斷頸槽的直徑；

c）材料強度與尺寸的匹配關系。

 RL系列（額定壓力60bar）

RLC系列（額定壓力60bar）

 RS系列（額定壓力500bar）

本期文章通過采用有限元仿真計算的方式，在固定材料特性的前提下，對堵頭的關鍵尺寸進行計算，模擬裝配過程，以確定能夠使堵頭裝配到位的最佳方案。

02仿真思路

因襯套的內徑和芯桿頭部的外徑都會影響裝配時的過盈量，本次仿真時固定芯桿頭部尺寸不變，調整襯套內孔來實現不同的過盈量，計算方案見表1。通過仿真計算，獲得能夠使芯桿拉裝到位時的最大過盈量，作為產品公差設計的依據。

表1 仿真過盈量選取方案

03幾何模型

本次計算選取RL100型號堵頭進行計算，其襯套外徑為10.0。使用制圖軟件建立三維模型，為獲得較準確的仿真結果，這里使用Hypermesh建立網格模型，然后導入Abaqus中進行仿真計算。三維模型和網格模型見圖3.1所示。

圖3.1 堵頭三維模型和網格模型

04材料模型

芯桿和襯套材料的應力—應變曲線見圖4.1，仿真過程將工程應力應變換算成真實應力應變。

圖4.1芯桿和襯套的材料模型

05邊界條件

在仿真模型中增加工藝孔和鉚槍鼻嘴兩個結構，以模擬真實的裝配狀態。固定鉚槍和孔，拉動芯桿的防滑槽位置，直到芯桿斷裂。

圖5.1 邊界條件示意

06仿真結果分析

6.1拉斷力

仿真可以計算出整個拉鉚過程中的拉斷力，見圖6.1所示。拉斷力為顧客選擇適宜的鉚槍提供依據，同時可以為斷頸槽的尺寸設計提供依據。

圖6.1 裝配過程中的拉斷力與位移的關系

6.2安裝孔所受壓力

安裝孔所受壓力是影響密封性能和孔的承載能力的重要指標，據此可以判定堵頭的密封性能，并計算出每種堵頭所適應的最小孔壁厚度，孔壓力和孔壁位移見圖6.2所示。

圖6.2 孔壁壓力和位移計算結果

6.3提供能夠使鉚釘裝配到位的最佳過盈量

見圖6.3所示，分別對不同過盈量的模型進行仿真，然后查看不同過盈量下的t尺寸，來判定芯桿頭部是否拉鉚到位。

圖6.3 裝配仿真結果

結論：對比仿真結果，t與過盈量的的關系見圖6.4，對比產品幾何尺寸及仿真結果，當過盈量約為0.3時，可以獲得最佳的裝配效果。

圖6.4 過盈量與t尺寸的關系

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