軟金屬密封結構密封性能數值仿真研究

黃其殷，白旭東，李妙婷

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

由于發動機工作條件十分惡劣，在其工作條件下應滿足密封無泄漏、結構可靠、質量小、拆卸方便、制造成本低、互換性好及多次使用的要求[1]。軟金屬密封結構應用于高壓補燃循環液氧煤油發動機的高壓氣路和高壓液路接頭，其密封可靠性是確保發動機正常工作的重要基礎之一。較以往發動機球面密封結構，軟金屬密封結構通過采用不同材料的密封墊，適用于-190℃低溫液氧、常溫燃料及500℃高溫燃氣等工作環境，在使用中表現出良好操作性、密封性及抗震性。

國內外學者通過商業有限元軟件ABAQUS和ANSYS對航天器氧系統和燃料系統管路密封結構密封性能進行了仿真分析[2-4]。針對軟金屬密封結構，將通過有限元軟件NASTRAN隱式非線性模塊，建立起軟金屬密封結構接觸和材料彈塑性有限元模型，并對其密封機理和密封性能進行仿真分析。

1 密封結構組成

軟金屬密封結構如圖1所示，包括凹臺階接頭、軟金屬密封墊、凸臺階接頭及外套螺母4個零件，在凹臺階接頭和凸臺階接頭密封面上開有V型密封槽。

常用的球面密封結構如圖2所示，由凹球面接頭、外套螺母及凸球面接頭組成。

圖1 軟金屬密封結構Fig.1 Configuration of soft metal seal

圖2 球面密封結構Fig.2 Configuration of spherical seal

與球面密封相比，在工程應用中發現軟金屬密封具有以下優點：

1）使用溫度范圍廣，可在-182℃液氧溫度，500℃富氧燃氣環境下正常工作；

2）管路通徑應用范圍廣，從4 mm小通徑管路到32 mm通徑管路均可保證可靠密封；

3） 重復使用性強，軟金屬強度遠小于接頭強度，不會損傷接頭密封面，因此每次拆裝只需更換密封墊即可多次重復使用；

4）良好的加工性，軟金屬密封結構中，凸、凹臺階接頭的配合面較長，在裝配時起導向作用，可防止因裝配偏差造成密封墊受力不均而影響密封性能，不需要特殊精加工；

5） 良好的抗震性，密封墊塑性變形后，填充導向配合間隙，使凸、凹臺階接頭配合非常緊密，整個密封具有良好的抗震放松能力。

2 數值模型與計算方法

凹臺階接頭、凸臺階接頭及外套螺母材料為高強不銹鋼，彈性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3，σ0.2=980 MPa；軟金屬密封墊為經退火處理的工業純鋁L4，彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.27，屈服應力小于50 MPa。由于不銹鋼屈服強度遠大于純鋁屈服強度，因此，在計算中不銹鋼材料使用彈性本構模型，L4材料特性采用彈塑性本構模型，接觸計算采用單面接觸模型[5-6]。

三維彈塑性接觸問題控制方程為：

平衡方程

幾何方程

彈塑性本構模型

Von Mises屈服準則

Von Mises流動準則

Von Mises硬化準則

單邊接觸準則

力邊界條件

位移邊界條件

由于軟金屬密封結構具有對稱性，而且承受對稱載荷，因此取其四分之一采用8節點6面體單元對結構進行網格劃分。

按公式（10）計算鋁密封墊所需軸向壓緊力[7]

式中：DG為密封接觸面的平均直徑；p為工作狀態管道內介質壓力，本文取p=45 MPa；b為有效密封寬度；m為墊片系數，對于鋁墊片m=4。計算得到螺紋所需軸向壓緊力為14 711 N。

定義兩個計算步：

1）預緊過程 軸向壓緊力Wp增加過程；

2）工作過程 軸向壓緊力Wp保持不變，管路內壓力p增加過程。

3 仿真結果及密封機理分析

3.1 仿真結果分析

從圖3可以看到，結構應力最大到875 MPa，表現為局部集中應力，實際應用中并不存在，不會對結構安全產生影響。

圖3 工作狀態應力云圖Fig.3 Stress distribution of sealing structure under working state

變形局部放大云圖如圖4所示，密封墊已楔入凹臺階接頭和凸臺階接頭V形密封槽內，達到結構設計預期。

密封墊變形云圖如圖5和圖6所示，預緊狀態密封墊壓縮量約0.09 mm，楔入密封槽約0.205 mm；工作狀態密封墊壓縮量約0.08 mm，楔入密封槽約0.22 mm。工作狀態與預緊狀態相比，密封面回彈大約0.01 mm。

圖4 局部變形云圖Fig.4 Distribution of local deformation

圖5 預緊狀態密封墊變形云圖Fig.5 Sealing gasket deformation under pre-impacted state

圖6 工作狀態密封墊變形云圖Fig.6 Sealing gasket deformation under working state

密封墊接觸應力云圖如圖7和圖8所示，預緊狀態接觸應力大于400 MPa，工作狀態接觸應力大于300 MPa，分布均勻。

管路內壓45 MPa時，鋁墊所需實際工作密封比壓[7]

qs=mpc=4×45=180 MPa

工作狀態密封安全系數

在45 MPa工作壓力下，密封安全系數大于1.67，能夠提供足夠的密封比壓，保證可靠密封。

圖7 預緊狀態密封墊軸向接觸應力云圖Fig.7 Axial contact stress of sealing gasket under pre-impected state

圖8 工作狀態密封墊軸向接觸應力云圖Fig.8 Axial contact stress of sealing gasket under working state

3.2 密封機理分析

密封面上，應力-加載曲線如圖9所示，接觸應力-加載曲線如圖10所示。

從圖9可以發現，密封墊應力約30 MPa時，密封墊開始進入塑性階段，并維持一段時間的蠕變，出現第一個應力平臺，隨后應力迅速增加，進入硬化狀態；密封墊應力約45 MPa時，由于密封槽內的材料開始進入蠕變狀態，并填充臺階接頭上的密封槽，因此密封面上出現第二個應力平臺，隨著載荷的增加密封槽逐漸被填充滿，應力隨后迅速增加，結構第二次進入硬化階段。在工作過程中，隨著管路內壓增加，逐漸平衡部分軸向預緊力，使密封墊的應力逐漸下降。

從圖10可以看到，在預緊過程，接觸應力隨加載歷程增加而增加，接觸應力在170 MPa附近，由于密封墊進入塑性階段，導致數值計算振蕩所致。在工作過程中，開始施加管路內壓，結構應力單向加載平衡被打破，凹臺階接頭和凸臺階接頭開始卸載，導致計算振蕩，隨著管路內壓的逐步提高，接觸壓力緩慢降低。

圖9 應力－加載歷程曲線Fig.9 Stress versus loading process

圖10 接觸應力－加載過程曲線Fig.10 Contact stress versus loading process

從以上計算結果可以發現，軟金屬密封結構的密封機理為：隨著螺紋提供軸向壓緊力增大，軟金屬密封墊被壓縮，逐步填滿凸臺階接頭、凹臺階接頭密封面上微小凸凹不平，并發生大范圍彈塑性變形，鍥入接頭V型密封槽中，最終使介質通過密封面的阻力大于密封面兩側的壓差完成密封。

4 結論

1） 軟金屬密封結構的密封機理：隨著螺紋提供軸向壓緊力增大，軟金屬密封墊被壓縮，逐步填滿凸臺階接頭、凹臺階接頭密封面上微小凸凹不平，并發生大范圍彈塑性變形，鍥入接頭V型密封槽中，最終使介質通過密封面的阻力大于密封面兩側的壓差完成密封。

2） 軟金屬密封結構具有使用溫度范圍廣，從液氧-190℃到富氧燃氣500℃，工作時間長，具有良好的加工性和抗震性能。

3） 軟金屬密封結構在管路內壓45 MPa下，結構最大應力為875 MPa，密封墊變形受壓變形后楔入密封槽內，密封墊接觸應力分布均勻，且大于300 MPa，密封安全系數大于1.67。

[1]張貴田.高壓補燃液氧煤油發動機[M].北京:國防工業出版社,2005.

[2]PHILLIPS Dawnr R,WINGATA Robert J.Seal analysis for the ares-I upper stage fuel tank manhole covers,AIAA 2010-2783[R].USA:AIAA,2010.

[3]王建武,劉軍生,陳少斌.球面型管路連接件密封性能分析及力學性能測試[J].火箭推進,2010,36(6):36-41.

[4]PHILLIPS Dawnr R,WINGATA Robert J.Seal joint analysis and design for the ares-I upper stage LOX tank,AIAA 2011-1721[R].USA:AIAA,2011.

[5]張洪武.參變變分原理與材料和結構力學分析 [M].北京:科學出版社,2010.

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