自动化系泊系统真空吸盘橡胶密封件的温度依赖性密封性能数值分析

《Applied Ocean Research》：Numerical analysis on temperature-dependent sealing performance of various rubber materials in a vacuum suction pad for automated mooring systems

本研究针对自动化系泊系统中真空吸盘橡胶密封件在复杂海洋环境下的性能可靠性问题，系统评估了天然橡胶（NR）、氯丁橡胶（CR）及其共混物（NR:CR=6:4）在-20 °C、23 °C和60 °C下的密封性能。研究人员通过单轴拉伸试验获取温度依赖性超弹性材料参数，并利用有限元法（FEM）模拟了密封件在摇摆（sway）和纵荡（surge）载荷下的响应。结果表明，NR在常温和高温下表现出最优的密封稳定性，而共混物在低温（-20 °C）下性能更佳。该研究为针对特定工况设计高耐久性橡胶密封件提供了关键见解，确保了恶劣海洋条件下的可靠运行。

　　

在现代化的港口运营中，自动化系泊系统正悄然改变着传统的船舶停靠方式，通过提升系泊效率和安全性，为实现创新的海洋系统奠定了基础。在这一系统中，真空吸盘的性能至关重要，而其核心部件——橡胶密封圈，则在确保船舶稳定系泊方面扮演着 pivotal 的角色。尤其是在安全和运营效率至上的海洋环境中，密封圈必须能够承受复杂的工况，包括显著变形、波动载荷和严酷的环境条件。然而，一个严峻的挑战在于，橡胶材料的性能会随着环境温度的变化而发生显著改变。海洋环境的温度范围可能从酷寒的零下低温到炎热的夏季高温，这种波动会直接影响橡胶的弹性、硬度和密封接触压力。如果密封圈因材料疲劳、弹性丧失或接触压力不足而无法维持足够的真空吸力，就可能引发意外的船舶脱开，带来严重的安全和运营风险。因此，识别和设计能够承受港口作业特定机械载荷和环境挑战的橡胶材料，成为了一个亟待解决的关键问题。

为了深入探究这一问题，研究人员在《Applied Ocean Research》上发表了题为“Numerical analysis on temperature-dependent sealing performance of various rubber materials in a vacuum suction pad for automated mooring systems”的研究。该研究旨在系统评估三种不同橡胶材料——天然橡胶（NR）、氯丁橡胶（CR）以及它们的共混物（NR:CR=6:4）——在-20 °C、23 °C和60 °C这三个具有环境代表性的温度下的密封性能。

为了回答上述问题，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们根据ASTM D412标准制备了橡胶试样，并在环境试验箱中于-20 °C、23 °C和60 °C下进行了单轴拉伸试验，获得了温度依赖性的应力-应变曲线。其次，基于实验数据，他们采用Yeoh超弹性模型对材料行为进行本构建模，通过最小二乘法拟合得到不同温度下的材料参数（C₁₀, C₂₀, C₃₀）。第三，利用Abaqus CAE软件建立了真空吸盘橡胶密封圈的三维有限元模型，该模型考虑了几何非线性和接触非线性。模型中，基板被定义为离散刚体，橡胶密封圈采用C3D8RH杂交单元进行网格划分，并进行了网格敏感性分析以确保结果准确性。接触属性基于橡胶与SUS316L对磨面的摩擦实验设定，摩擦系数为0.75。最后，通过有限元模拟分析了密封圈在两种典型载荷工况下的性能：模拟垂直运动的摇摆（sway）工况和模拟水平运动的纵荡（surge）工况。模拟过程中，依次施加初始压缩、真空负压（-80 kPa）以及最终的位移载荷，并提取了反作用力、真实接触面积（RCA）、平均接触压力、von Mises应力和主应变等关键指标来量化密封性能。

3.1. 温度依赖性拉伸响应

通过单轴拉伸试验发现，所有橡胶材料的刚度都随温度升高而降低。为了量化其热敏感性，引入了温度因子（TF），即在工程应变为2.0时，某温度下的应力与23 °C下应力的比值。结果表明，所有材料在零下温度都表现出更高的敏感性，其中共混物（Blend）在不同温度间的变化最大。相比之下，CR的刚度保持相对一致，尤其是在高温下。然而，TF本身并不能完全决定最佳密封材料，因为它反映的是材料固有的刚度，而不一定是密封性能。因此，需要结合有限元模拟来评估其在真空吸盘操作背景下的热机械性能。

3.2. 摇摆运动下的密封性能

在模拟密封圈与基板完全接触并施加真空压力后，最大主应变集中在自接触区域。随着基板沿y轴向下位移，由于变形过程中自接触区域的释放，密封圈中的最大主应变逐渐减小。尽管密封圈与基板之间的接触面积随着位移增加而减小，但真空压力确保了两个表面之间的持续粘附。通过分析基板参考点处的反作用力-位移曲线发现，温度对反作用力有显著影响。在-20 °C时，材料表现出最高的刚度，抵抗脱离的能力最强，导致反作用力最大。而在60 °C时，热软化降低了抵抗变形的能力，使得相同位移下的反作用力最低。具体而言，在-20 °C时，共混物记录到最高的反作用力（112.8 kN），其次是NR和CR。在23 °C时，NR以76.4 kN领先，其次是共混物和CR。在60 °C时，NR再次以66.5 kN的反作用力位居最高，其次是CR和共混物。这些结果证实，基于NR的材料提供了最可靠的、与温度无关的密封性能，使其成为承受变化热条件的应用的理想选择。

3.3. 纵荡运动下的密封性能

von Mises应力分析表明，在真空载荷下，应力最初集中在自接触区域，并在纵荡运动期间随着位移方向逐渐迁移。随着位移增加，应力水平相应上升，表明密封圈中逐渐变形和局部应变累积。在所有情况下，最大von Mises应力均远低于单轴拉伸试验确定的失效应变阈值，证实了密封设计在吸盘操作下的机械完整性。主应变分布显示，在真空加载期间，峰值应变出现在自接触区域附近，并随着位移增加逐渐向密封唇口迁移。所有测试材料的最大主应变均低于2.0，与单轴试验中施加的最大工程应变一致，验证了基于实验输入数据的模拟结果的可靠性。

接触压力分布分析显示，在真空条件下，压力沿密封圈内 curvature 均匀分布，表明静态真空下密封稳定。在-5 mm位移时，压力仍集中在原始密封区域附近，仅有轻微重新分布。在-15 mm位移时，接触压力发生显著重新分布，峰值压力向密封圈的外唇口转移。值得注意的是，在变形密封圈的唇口和侧壁之间的内部过渡区附近出现了一个呈现负接触压力的局部区域，这表明在大横向变形下，密封圈内表面与基板之间发生了部分接触分离或早期密封失效。随着整体接触面积因脱离而减小，剩余的接触压力集中在更窄的区域，表明在高位移水平下密封稳定性降低。

真实接触面积（RCA）量化分析表明，在23 °C时，CR、NR和共混物分别能维持100% RCA直至反作用力达到约10 kN、14.7 kN和13.5 kN，对应的基板位移约为5.4 mm。在-20 °C时，这些阈值分别增加到18.9 kN（CR）、22 kN（共混物）和19 kN（NR），表明材料在低温下 stiffening 导致粘附力更强。相反，在60 °C时，维持100% RCA的密封阈值下降到10.4 kN（CR）、10.6 kN（共混物）和11.8 kN（NR）。值得注意的是，在所有温度条件和材料中，一旦接触面积降至96%以下，就会观察到RCA的临界下降。超过这一点，即使纵荡力微小增加也会导致RCA急剧下降，表明有效密封的快速丧失。这一阈值可以被解释为潜在泄漏路径的开始。

平均接触压力与纵荡力的关系图显示，随着纵荡力增加，平均接触压力在所有材料和温度下逐渐下降，反映了在x方向位移下接触保持稳定时的渐进变形。随后，在材料和温度依赖的临界载荷处出现急剧下降，标志着高度不均匀接触的开始和真实接触面积的显著减少。在零下条件下，共混物表现出最高的临界纵荡力（32.0 kN），其次是CR和NR（约26 kN）。在23 °C时，NR表现出最高的阈值纵荡力（22.8 kN），而CR和共混物的值较低（16至21 kN）。在60 °C时，NR再次表现出最强的纵荡阻力（17.8 kN），CR和共混物的值略低（约15 kN）。超过临界载荷后，在所有条件下都观察到平均接触压力有轻微恢复，这归因于变形密封表面与基板之间的局部重新接触，反映了橡胶在大变形下复杂的非线性接触力学。平均接触压力的急剧下降因此可作为密封极限的机械指标。

本研究通过实验与数值模拟相结合的综合评估，揭示了温度对橡胶密封性能的关键影响。基于全面的性能评估，为根据不同工作温度选择材料提供了明确指导。天然橡胶（NR）基化合物被确定为常温和高温环境下最 robust 且热适应性最强的候选材料，主要归因于其强大的抗热软化能力。然而，对于零下作业，共混物（Blend）化合物由于其显著增加的刚度而成为更优选择。这些发现表明，虽然NR基配方对于要求苛刻、温度多变的海洋环境是最有前途的整体候选材料，但对于特定的操作温度范围，应考虑使用特种化合物。

该研究的意义在于，它为针对特定环境条件设计和优化自动化系泊系统中的橡胶密封元件提供了坚实的科学依据和实用的设计指南。通过精确量化温度对密封界面力学行为的影响，研究结果能够帮助工程师在选择材料时做出更明智的决策，从而显著提高真空吸盘在真实海洋环境中的可靠性、耐久性和安全性，最终推动自动化系泊技术的更广泛应用。未来的研究可以进一步探索橡胶材料在循环载荷、化学老化等多因素耦合作用下的长期性能演变，以完善密封系统的寿命预测模型。