低溫U形金屬密封環(huán)密封性能分析及改進(jìn)設計
為了研究不同結構參數對U 形金屬密封環(huán)密封性能的影響規律，利用ABAQUS 軟件建立某U 形金屬密封環(huán)的二維軸對稱(chēng)模型，在常溫預緊工況和低溫工作工況下計算分析U 形密封環(huán)厚度、截面寬度、腿部厚度以及圓弧半徑等結構參數對密封環(huán)最大Von Mises 應力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響。結果表明，將U 形環(huán)厚度增大為3. 8 mm、腿部厚度減小為0. 1 mm 時(shí)，U 形環(huán)密封性能提高; 取截面寬度在6. 4 ～ 6. 8 mm 之間、圓弧半徑在0. 7 ～0. 9 mm 之間，均能獲得較好的密封性。根據計算結果，針對加載后U 形密封環(huán)腿部出現翹曲的現象，提出了減小U 形環(huán)腿部右端高度的改進(jìn)方法。
20 世紀60 年代初液氫液氧發(fā)動(dòng)機開(kāi)始在運載火箭上得到應用。由于液氫清潔和高能的特點(diǎn)，在未來(lái)的航天事業(yè)中，以液氫液氧為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機必將發(fā)揮更大的作用。然而由于火箭發(fā)動(dòng)機上輸送液氫液氧的管路密封面臨著(zhù)低溫、高壓及強烈震動(dòng)等苛刻的操作環(huán)境，而液氫液氧又具有沸點(diǎn)低、滲透力和浸濕性強、易燃易爆等特性，少量泄漏都可能引起災難性的爆炸，這就要求火箭發(fā)動(dòng)機管路系統各連接部位保證“零泄漏”。國內外從20 世紀70 年代就開(kāi)始針對金屬密封做了一系列研究。
目前，常用的金屬密封的形式主要有金屬墊片、O 形環(huán)、C 形環(huán)、Ω 形環(huán)、E 形環(huán)、B 形環(huán)、三角墊密封等。SSME ( 美國普惠公司洛克達因分部為航天飛機設計的主發(fā)動(dòng)機) 使用了由鍍銀的鎳基材料制成的“U”形壓力作用式密封元件，而目前U 形密封環(huán)在國內仍較為少見(jiàn)。為了研究U 形金屬密封環(huán)在航天動(dòng)力機械中的應用，使其在低溫、高壓等苛刻工況下仍能夠很好地滿(mǎn)足密封要求， 本文作者利用ABAQUS 有限元分析軟件，建立了U 形金屬密封環(huán)的軸對稱(chēng)模型，分析了U 形密封環(huán)厚度C、截面寬度K、腿部厚度J 以及圓弧半徑R 等結構參數對密封環(huán)最大Von Mises 應力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響，并根據這些參數對U 形金屬密封環(huán)密封性能的影響規律，對其結構進(jìn)行了改進(jìn)設計。
1、U 形金屬密封環(huán)有限元模型的建立
U 形金屬密封環(huán)是一個(gè)安裝在上下法蘭之間的三維軸對稱(chēng)實(shí)體。圖1 所示為某U 形密封環(huán)橫截面結構示意圖，表1 給出了該密封環(huán)的初始結構參數。實(shí)際工作中，U 形密封環(huán)不僅受到上下法蘭的壓緊力，還受到管路內部的介質(zhì)壓力，而這些作用力是關(guān)于管路中心線(xiàn)對稱(chēng)的。因此，采用平面軸對稱(chēng)模型對U形密封環(huán)及上下法蘭盤(pán)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到如圖2 (a)所示的有限元分析模型。采用標準化網(wǎng)格劃分技術(shù)對各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分好后的二維軸對稱(chēng)有限元模型如圖2 (b) 所示，共13740 個(gè)單元，單元類(lèi)型為CAX4R (4 節點(diǎn)雙線(xiàn)性軸對稱(chēng)四邊形減縮積分單元) 。
圖1 U 形金屬密封環(huán)截面結構示意圖
表1 U 形金屬密封環(huán)截面結構參數
圖2 U 形密封環(huán)及法蘭的平面軸對稱(chēng)有限元模型
2、結論
(1) 利用ABAQUS 軟件建立了某U 形金屬密封環(huán)的軸對稱(chēng)有限元模型，計算分析了厚度C、截面寬度K、腿部厚度J 以及圓弧半徑R 等結構參數對密封環(huán)最大Von Mises 應力、接觸壓力大小及接觸寬度的影響。提出了此U 形密封環(huán)的最佳結構參數范圍，并針對其工作時(shí)產(chǎn)生不合理變形進(jìn)行了結構改進(jìn)，一定程度上改善了密封性能，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為對該U 形金屬密封環(huán)的設計和使用有一定的指導意義。
(2) 總體而言，原U 形環(huán)結構設計可以滿(mǎn)足密封要求，但通過(guò)以下結構參數的優(yōu)化均可進(jìn)一步改善密封性能: 將U 形環(huán)厚度C 增大為3. 8 mm，腿部厚度J 減小為0. 1 mm; 取截面寬度K 在6. 4 ～ 6. 8 mm之間，圓弧半徑R 在0. 7 ～ 0. 9 mm 之間。
(3) 針對加載后U 形密封環(huán)腿部出現翹曲致使高壓介質(zhì)填滿(mǎn)左側縫隙的現象，提出了結構改進(jìn)方法。當將U 形環(huán)腿部右端高度尺寸減小0. 09 mm 時(shí)，密封環(huán)左端開(kāi)始與法蘭盤(pán)緊密接觸，從而可以形成有效的密封，這對提高U 形密封環(huán)的強度和密封性能都有一定的好處。
