低溫U形金屬密封環(huán)密封性能分析及改進設(shè)計

　　為了研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對U 形金屬密封環(huán)密封性能的影響規(guī)律，利用ABAQUS 軟件建立某U 形金屬密封環(huán)的二維軸對稱模型，在常溫預(yù)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(jié)構(gòu)參數(shù)對密封環(huán)最大Von Mises 應(yīng)力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響。結(jié)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，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(jù)計算結(jié)果，針對加載后U 形密封環(huán)腿部出現(xiàn)翹曲的現(xiàn)象，提出了減小U 形環(huán)腿部右端高度的改進方法。

　　20 世紀60 年代初液氫液氧發(fā)動機開始在運載火箭上得到應(yīng)用。由于液氫清潔和高能的特點，在未來的航天事業(yè)中，以液氫液氧為燃料的火箭發(fā)動機必將發(fā)揮更大的作用。然而由于火箭發(fā)動機上輸送液氫液氧的管路密封面臨著低溫、高壓及強烈震動等苛刻的操作環(huán)境，而液氫液氧又具有沸點低、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(zāi)難性的爆炸，這就要求火箭發(fā)動機管路系統(tǒng)各連接部位保證“零泄漏”。國內(nèi)外從20 世紀70 年代就開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(shè)計的主發(fā)動機) 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(nèi)仍較為少見。為了研究U 形金屬密封環(huán)在航天動力機械中的應(yīng)用，使其在低溫、高壓等苛刻工況下仍能夠很好地滿足密封要求， 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(jié)構(gòu)參數(shù)對密封環(huán)最大Von Mises 應(yīng)力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響，并根據(jù)這些參數(shù)對U 形金屬密封環(huán)密封性能的影響規(guī)律，對其結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)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)是一個安裝在上下法蘭之間的三維軸對稱實體。圖1 所示為某U 形密封環(huán)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，表1 給出了該密封環(huán)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。實際工作中，U 形密封環(huán)不僅受到上下法蘭的壓緊力，還受到管路內(nèi)部的介質(zhì)壓力，而這些作用力是關(guān)于管路中心線對稱的。因此，采用平面軸對稱模型對U形密封環(huán)及上下法蘭盤進行簡化，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)對各部件進行網(wǎng)格劃分，劃分好后的二維軸對稱有限元模型如圖2 (b) 所示，共13740 個單元，單元類型為CAX4R (4 節(jié)點雙線性軸對稱四邊形減縮積分單元) 。

圖1 U 形金屬密封環(huán)截面結(jié)構(gòu)示意圖

表1 U 形金屬密封環(huán)截面結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 U 形密封環(huán)及法蘭的平面軸對稱有限元模型

2、結(jié)論

　　(1) 利用ABAQUS 軟件建立了某U 形金屬密封環(huán)的軸對稱有限元模型，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(jié)構(gòu)參數(shù)對密封環(huán)最大Von Mises 應(yīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，并針對其工作時產(chǎn)生不合理變形進行了結(jié)構(gòu)改進，一定程度上改善了密封性能，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為對該U 形金屬密封環(huán)的設(shè)計和使用有一定的指導(dǎo)意義。

　　(2) 總體而言，原U 形環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足密封要求，但通過以下結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化均可進一步改善密封性能: 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(xiàn)翹曲致使高壓介質(zhì)填滿左側(cè)縫隙的現(xiàn)象，提出了結(jié)構(gòu)改進方法。當將U 形環(huán)腿部右端高度尺寸減小0. 09 mm 時，密封環(huán)左端開始與法蘭盤緊密接觸，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。