O型圈压缩量定不好？用结构应力仿真搞定IP防水

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211、985硕士，从业16年+

从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。

熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件，解决问题与验证方案设计，十多年技术培训经验。

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IP防水是电子产品可靠性的关键，而O型圈则是第一道防线。压缩量设得太小会漏水，太大又可能导致应力松弛甚至结构开裂。

如何用仿真准确评估密封状态？本文将从材料模型、接触设定到结果判读，讲透O型圈压缩与结构应力联合仿真的核心方法，帮你一次做对设计。

之前公众号分享过一些关于IP防尘防水的基础知识，与项目案例，详情可点击下方链接进行了解。

新能源车载系统模块结构与热设计（IP67可靠性改良方法）

电子产品IP等级设计参考标准与应用实例

新能源3KW_IP65充电模块内部散热设计

以3KW的车载充电机项目为例，给大家分享一下ANSYS软件中对O型圈的压缩与机壳结构应力应变的仿真内容。

项目的基础信息如下，

• 外壳AL6061

• 0型圈：硅橡胶

• 行程0.2mm，压缩量≈15%

材料选型

依据当时项目的阶段，设备的首批产量，选定的CNC加工工艺，此时结构外观与图中稍有差异（去掉拔模角等），选的材料为6061。

另外，关于静密封的O型圈材料，我们选定的是硅橡胶材质，参考依据如下图所示，

密封圈材料（机械设计手册第六版 第三卷）

不同的产品、结构设计与密封形式，结合产品的使用场景的环境条件，选定合适的辅助密封材料，可以达到性能、稳定性、成本的综合平衡。

结构设计

选定材质后，对于密封结构设计，我们依据机械手机手册中的基本形式与数据指南做参考，如下图所示，

静密封O形环密封结构设计

O形环装入密封沟槽后，其截面一般受到 15%~30%的压缩变形。在介质压力作用下,移至沟槽的一边,封闭需密封的间隙,达到密封的目的。

其密封性能好,寿命长，结构紧凑，装拆方便。选择不同的密封圈材料，可在-100~260℃的温度范围使用，密封压力可达 100MPa。

盖板与箱体、密封槽结构设计

参数设定

另外相对比较重要的有密度、杨氏模量与泊松比等，大家可以根据材料选型查找其相关参数。

接触设置

主要的接触面，分别是O型圈与上盖、O型圈与箱体凹槽的接触，摩擦力系数设置为0.25，选择增强型拉格朗日算法。

网格划分如下图所示，

网格划分

O型圈采用最小网格尺寸0.5mm，多区域方法的细化方法，箱体与上盖最小5mm的网格尺寸，最终的网格总数在五十万左右，如上图所示。

因为此处主要关注的是O型圈的压缩变形以及其应力、应变等情况，所以采用的是非对称模式，对箱体和上盖的网格也没有细化，这样能减少网格数，节省计算时间。

最终仿真出来的结果如下图所示，

O型圈的压缩变形情况

O型圈的最终压缩变形形态

等效应力图

等效应变图

O型圈密封设计，差之毫厘则防水失效。仿真的价值就是在开模前把问题找出来。希望今天的方法能帮你减少试错、提升一次通过率。

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