鋼瓶內壓的模擬

在 3.4.3 節中，提到將會模擬數組特定尺寸施加均佈壓力 8MPa

在 o-ring 墊圈的縫隙上觀察對成形性及接觸應力的影響，以下將模擬 實驗中四組密封性最佳及四組密封性最差的尺寸組合，並比較有無施 加均部內壓，以及不同均部內壓的情形。

施加方式如圖 4.15 所示，先將 o-ring 墊圈建立成 meshpart，再依 照後處理中 o-ring 墊圈的接觸應力圖判斷哪幾個網格是沒有接觸到 鋼瓶壁面，給定這幾個網格 8MPa 均部內壓，經由 2~4 次的反覆模擬 與增加均部內壓的網格範圍，直到所有產生縫隙的網格都有施加均部 內壓為止。

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0-15圖 4.15 施加 o-ring 墊圈縫隙均部內壓

(1)~(4)組為實驗中密封性較佳的尺寸組合，施加 o-ring 墊圈縫隙 均部內壓的結果。

(1)鋼瓶高度:3.80mm，鋼瓶內徑:7.60mm，o-ring 墊圈高度:2.4mm，

o-ring 墊圈厚度:1.4mm

0-25表 4.25 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(1)

內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差 8 7.41654 86.76471 1.8366 4 7.62776 83.82353 1.3927 2 6.62192 77.94118 1.0161 0 6.19019 75.51020 0.9981

8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

0-16圖 4.16 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(1)

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(2)鋼瓶高度:3.80mm，鋼瓶內徑:7.65mm，o-ring 墊圈高度:2.3mm，

o-ring 墊圈厚度:1.5mm

0-26表 4.26 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(2)

內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差 8 7.95184 88.86131 1.8993 4 5.93307 87.94161 1.4527 2 4.19980 86.29197 1.0401 0 3.48523 85.71429 0.9841

8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

0-17圖 4.17 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(2)

(3) 鋼瓶高度:3.85mm，鋼瓶內徑:7.60mm，o-ring 墊圈高度:2.4mm，

o-ring 墊圈厚度:1.4mm

0-27表 4.27 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(3)

內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差 8 9.95184 86.86131 1.8993 4 8.53070 83.82353 1.3601 2 7.54616 79.41176 1.1803 0 7.49975 76.53061 1.1161

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8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

0-18圖 4.18 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(3)

(4) 鋼瓶高度:3.80mm，鋼瓶內徑:7.50mm，o-ring 墊圈高度:2.3mm，

o-ring 墊圈厚度:1.4mm

0-28表 4.28 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(4)

內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差 8 9.26714 87.12121 2.4747 4 8.04546 87.12121 1.5060 2 7.21127 86.81818 1.3740 0 6.12959 85.81081 1.2859

8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

0-19圖 4.19 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(4)

以上四組模擬，由表可以看出，施於 o-ring 墊圈的內壓越大，雖 然接觸面積和最大接觸應力隨之增加，但接觸應力標準差也越大，故 推測密封性也會越差；若施於 o-ring 墊圈的內壓小於 2MPa 則對 o-ring 墊圈接觸應力狀態沒有顯著的影響；而由圖則可以看出施於 o-ring 墊

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圈的內壓越大，雖然能使 o-ring 墊圈填補與金屬封片之間的縫隙，但 也會使 o-ring 墊圈變形更嚴重，以及更有可能會击出瓶口。

(5)~(8)組為實驗中密封性較差的尺寸組合，施加 o-ring 墊圈縫隙 均部內壓的結果。

(5)鋼瓶高度:4.00mm，鋼瓶內徑:7.55mm，o-ring 墊圈高度:2.3mm，

o-ring 墊圈厚度:1.4mm

0-29表 4.29 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(5) 內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差

8 10.9659 88.63636 2.6669 4 6.23904 88.63636 1.5150 2 4.35997 83.33333 0.9989 0 3.10910 80.90909 0.8330

8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

0-20圖 4.20 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(5)

(6)鋼瓶高度:3.95mm，鋼瓶內徑:7.55mm，o-ring 墊圈高度:2.3mm，

o-ring 墊圈厚度:1.4mm

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0-30表 4.30 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(6) 內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差

8 22.2806 88.63636 3.2905 4 10.5858 92.42424 1.9033 2 9.72651 91.6667 1.5060 0 8.44945 90.90909 1.1595

8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

0-21圖 4.21 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(6)

(7)鋼瓶高度:3.95mm，鋼瓶內徑:7.55mm，o-ring 墊圈高度:2.4mm，

o-ring 墊圈厚度:1.3mm

0-31表 4.31 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(7) 內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差

8 9.37654 89.77273 2.0568 4 5.84813 84.84848 1.0953 2 4.03514 79.54545 0.6501 0 0.96973 64.77273 0.2600

8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

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0-22圖 4.22 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(7)

(8)鋼瓶高度:3.80mm，鋼瓶內徑:7.55mm，o-ring 墊圈高度:2.5mm，

o-ring 墊圈厚度:1.3mm

0-32表 4.32 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力狀態(8)

內壓(MPa) 最大接觸應力(MPa) 接觸面積(%) 接觸應力標準差 8 8.93047 83.82353 1.5266 4 9.18985 88.97059 1.7296 2 7.61250 83.82353 1.3803 0 6.63450 80.14706 1.1024

8MPa 4MPa 2MPa 0MPa

0-23圖 4.23 施加均部內壓的 o-ring 墊圈接觸應力圖(8)

由以上圖表可知，作用於 o-ring 墊圈的內壓越大，因為瓶口接觸 到金屬封片的因素，使 o-ring 墊圈於瓶口處無法击出，造成 o-ring 墊 圈應力集中的情形更為嚴重，使接觸應力更不平均，密封性更差。

本研究中的鋼瓶內壓為 8MPa，雖然從 o-ring 墊圈的接觸應力狀 態可看出和 0MPa 有段落差，但其趨勢卻都一致：內壓越大，最大接 觸應力、接觸面積和接觸應力標準差越大，因此推測在模擬中有無針 對 o-ring 墊圈施加均部內壓，對 o-ring 墊圈接觸應力的整體趨勢及實

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驗尺寸的選擇影響不大，三個接觸應力準則仍可用來判斷高壓鋼瓶知 密封性是否良好；而從 o-ring 墊圈的接觸應力圖也可以發現，內壓越 大，o-ring 墊圈變形越嚴重，越有可能會击出瓶口；而對鋼瓶口接觸 到金屬封片的尺寸組合而言，則會造成 o-ring 墊圈應力集中，使接觸 應力分佈更不平均，因此對密封性較差的尺寸組合而言，於 o-ring 墊 圈縫隙施加均部內壓更能看出其密封性不佳的情形。

在本章節中，首先改變鋼瓶和 o-ring 墊圈尺寸，以模擬和實驗的

方式探討 o-ring 墊圈的最大接觸應力、接觸面積以及接觸應力標準差 是否能當作決定密封性的因素；接著模擬各種鋼瓶和 o-ring 墊圈尺寸 組合，並從中挑出數組進行實驗，以找出接觸應力和密封性的關係，

以此關係可進一步由模擬中所獲得 o-ring 墊圈接觸應力的資訊，來判 斷特定的尺寸組合，是否符合漏氣量標準，以及密封性是否良好，再 應用這個判斷的方式去將沖頭外型做最佳化的探討；並於最後以模擬 的方式討論不同的鋼瓶內壓施加於 o-ring 墊圈所造成的影響。

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