一種新型試驗裝置密封結構仿真研究

陳偉張敬兵陳瑤楊曉彬趙威王程

(1.中國人民解放軍73841部隊,江蘇 南京210003；2.南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京210094；3.南京軍區聯勤部信息中心,江蘇南京210016；4.中國人民解放軍75250部隊,廣東 廣州510800；5.中國人民解放軍94860部隊,江蘇 南京210049)

0 引言

某試驗裝置為了獲得試驗載體的高過載加速度，采用與火炮發射過程相同的工作原理，因而在工作時膛內火藥氣體壓力高達500 MPa，溫度達到3000℃。同時試驗裝置要求密封結構能夠多次重復使用，因此傳統火炮上采用藥筒來密封火藥氣體的密封方式不能適用于該試驗裝置，必須為其設計一個專門的密封結構來密封高溫高壓火藥氣體。

試驗裝置工作時炮身與炮閂之間需要頻繁開啟和關閉，這就要求設計的密封結構力求簡單，同時膛內火藥燃氣作用會導致密封結構承受瞬態高壓高溫氣體的沖擊，因此設計的密封結構必須安全可靠。

普通密封技術一般采用橡膠密封圈進行密封，只能承受幾十兆帕的壓力和在低溫下工作，遠遠不能滿足。常見的高壓密封包括多級組合密封和可控機械密封，一般不能承載沖擊型壓力，多用于軸向液體密封，不適用于試驗裝置這樣需頻繁操作的場合，而普通高膛壓火炮采用的密封環加楔式炮閂式閉氣方式結構復雜，且對試驗裝置擊發系統的改變較大。

本文針對試驗裝置工件的特殊性，設計了一種組合增壓式密封結構，并對其結構的可靠性進行了仿真，找出了結構的不足，然后進行了改進，并對改進后的結構進行了有限元計算。

1 密封結構設計

在設計研究過載試驗裝置密封結構時除了需要滿足密封基本要求外，如下幾個因素還需給予充分考慮:

1)試驗裝置后膛需頻繁開啟和關閉，密封結構應力求簡單可靠，方便開關閂和裝填操作。

2)密封結構承受高溫高壓火藥氣體作用，不應產生塑性變形，應該具有良好的抽筒性能。

3)承壓能力強。密封結構工作過程承受的壓力很高，且壓力是瞬態沖擊型的，要求在幾毫秒內能經受數百兆帕的壓力，并要有足夠的可靠性。

4)被密封的是高溫燃氣，尤其是短時間內達到幾千攝氏度左右的高溫，且熱量不易迅速擴散，密封結構的耐高溫性能必須很好。

5)火藥燃燒開始和結束階段，少量低壓火藥氣體的泄露是允許的。

6)防蠕變、抗老化、易加工性、易裝配性和經濟性。

綜合考慮火炮炮膛密封方式的利弊，結合試驗裝置的布局特點，決定借鑒火炮利用藥筒變形實現內膛密封的方案，對傳統形式的藥筒進行改進加工，設計出適用于試驗裝置的藥筒和增壓密封結構。該方案主要優點是密封機理清晰，結構安全可靠，操作簡單方便，可減少內膛燒蝕，同時不用進行擊發裝置和炮尾炮閂部分的改進和重新設計。

如圖1所示，組合式密封結構主要由筒體、壓蓋、導向增壓桿和密封環組成。壓蓋前端抵緊試驗載體，尾端與筒體錐面配合形成主密封結構。導向增壓桿安裝在壓蓋的階梯形孔內，其尾端的特殊結構與筒體上的孔配合形成輔助密封。增壓桿末端與大氣相通，工作時增壓桿兩端壓力極不平衡，利用壓差來實現增壓密封。

圖1 新型密封結構示意圖

工作原理:工作時，高溫高壓火藥氣體迅速充滿整個藥室，在火藥氣體作用下增壓桿向低壓端移動，帶動與之配合的壓蓋一起向低壓端移動。于是壓蓋擠壓筒體錐面，使筒體產生徑向膨脹變形。隨著膛內壓力不斷升高，擠壓越來越緊，筒體的徑向變形也越來越大，最終筒體開始與膛壁接觸并逐漸貼緊內膛，實現火藥氣體的密封，如圖2所示。火藥氣體壓力越大，筒體徑向變形越大，與炮身擠壓越緊，自緊效果越好。當火藥氣體壓力下降時，筒體在回彈力的作用下，彈性變形逐漸消失直至完全分離，恢復至初始配合間隙。

圖2 關鍵密封構件工作示意圖

2 新型密封結構仿真分析

采用ABAQUS有限元軟件對設計的新型密封結構進行仿真研究，根據仿真結果來分析密封結構的可靠性。

2.1 仿真模型的建立

密封結構由于導向增壓桿的存在不再是簡單的旋轉體，不能使用軸對稱模型，但其幾何形狀、邊界條件和載荷都符合旋轉周期對稱結構的要求，因此可以只截取其基本結構來建立有限元模型。為了分析導向增壓桿數量對密封結構密封性能的影響，先建立了不同數量導向增壓桿的密封結構有限元模型，通過計算結果對比發現，密封結構導向增壓桿的數量取n=8時，對密封結構最為有利。因此在建立有限元模型時，只需要取1/8的密封結構進行分析，可以大大節省計算時間和資源。同時對模型作如下簡化和假設:

1)密封構件周向受力均勻，壓蓋、筒體與炮身軸線重合；

2)輔助密封結構能夠實現可靠密封，導向增壓桿與筒體的相互作用忽略不計；

3)密封元件在作用過程中均不產生塑性變形，所有元件材料均勻，體積不可壓縮。

本文直接利用ABAQUS軟件的建模功能建立密封結構的有限元模型，避免了采用第三方軟件建模導入模型時因軟件接口不匹配造成的錯誤。在Sketch功能模塊中將整個模型的二維平面圖繪制在一起，可以保證各部件的相對位置正確。模型中火藥氣體通過導向增壓桿對壓蓋的作用簡化為集中力的作用形式，集中力的作用點與壓蓋上導向增壓桿裝配孔內表面建立分布耦合。在炮身與筒體、筒體與壓蓋錐面、炮身端面與筒體突沿處均建立接觸對。在History output和Domain中選擇Interaction，選擇炮身與筒體接觸對，并選中輸出變量中的CFN和CAREA，用于輸出筒體與炮身的接觸力和接觸面積。定義端面約束，限制筒體的運動。定義局部基準柱坐標系，在基本結構兩側的截面上定義關于T軸的對稱邊界條件。在參考點上施加集中力載荷，其大小為膛壓與增壓桿截面積的乘積，隨著膛內火藥氣體壓力的變化而改變。提交ABAQUS軟件進行分析計算后，結果如圖3所示。

圖3 膛壓最大時刻壓蓋應力云圖

2.2 仿真結果分析

通過仿真結果可以發現，膛壓最大時刻密封結構中壓蓋與筒體接觸區域出現明顯的應力集中，最大值高達2 294MPa，遠遠超過了壓蓋材料的強度極限1 350 MPa，所以密封結構需要進行改進。

3 密封結構的改進及有限元分析

3.1 密封結構的改進

仔細觀察壓蓋與筒體的作用過程發現，壓蓋尾端采用圓角結構與筒體錐面進行接觸，在火藥氣體作用下能夠產生足夠的擠壓力使筒體徑向膨脹，直至與炮身內壁貼緊，從而實現可靠密封。但是由于圓角與錐面接觸屬于線接觸方式，會導致接觸過程產生過高的密封比壓，從而引起應力高度集中，最終導致材料產生疲勞破壞。因此對密封結構中壓蓋與筒體間的接觸方式進行改進，嘗試采用面接觸方式來減小應力集中。因此將壓蓋尾端設計成錐面，通過錐面與錐面的面接觸方式來改變初始結構的不足，同時將壓蓋厚度適當加厚。改進后的密封結構如圖4所示。

圖4 改進后密封結構示意圖

3.2 密封結構有限元分析

在上述仿真計算模型的基礎上，不需要改變其約束條件，只要對其幾何結構進行更改，就能進行有限元計算。提交ABAQUS分析運算，其結果如下:

改進后密封結構的最大應力仍然位于壓蓋上，從壓蓋的應力云圖(圖5)可以看出，優化后密封結構在膛壓最大時刻的Mises應力最大值為1 265 MPa，小于壓蓋的材料強度極限，表明優化后密封結構的強度能夠滿足工作要求，消除了潛在的疲勞損傷。

圖5 改進后膛壓最大時壓蓋應力云圖

圖6 所示為改進后膛內壓力最高時刻炮身接觸應力云圖。由圖6可知，膛壓最高時刻炮身與筒體在整個圓周方向均分布有較大的接觸應力，表明此時筒體與炮身已經形成緊密貼合，且接觸面積較大。

圖6 膛壓最大時刻炮身內壁接觸應力云圖

圖7 為炮身與筒體隨火藥氣體壓力增加和減小的接觸面積變化圖，當火藥開始燃燒時，氣體壓力并不是很高，筒體的徑向變形還未消除筒體與炮身之間的初始間隙，筒體同炮身的接觸面積為0，當火藥氣體壓力逐漸增大時，筒體在壓蓋的作用下徑向變形越來越大，開始與炮身內壁接觸，同炮身的接觸面積逐漸增大，在0.4～0.8 ms的短暫0.4 ms內，筒體與炮身的接觸面積達到最大值。當火藥氣體壓力下降時，筒體在自身剛度作用下開始逐漸回復初始狀態，接觸面積減小，最終筒體與炮身分離。以上分析結果表明:密封結構各構件剛強度均滿足要求，而且密封性能安全可靠，該組合式密封結構設計機理正確可行。

圖7 炮身與筒體接觸面積變化圖

4 結語

通過分析試驗裝置的工作特點，設計了新型組合增壓式密封結構，并將計算機仿真技術和有限元分析等現代設計方法運用于密封結構的設計中。通過有限元分析發現了原有結構的不足，對組合式密封結構進行改進，并通過有限元計算得到了主要密封面的接觸應力，結果表明該結構滿足試驗裝置的密封要求。該結構的成功設計對火炮等高壓設備的密封問題的解決提供了參考。

[1]顧伯勤，李新華，田爭.靜密封設計技術[M].北京:中國標準出版社，2004.

[2]蔡仁良，顧伯勤，宋鵬云.過程裝備密封技術[M].北京:化學工業出版社，2002.

[3]雒智林，茹致賢，盧婷，等.高膛壓楔式炮閂閉氣形式分析[J].火炮發射與控制學報，2006(2):21～24.

[4]G.R.Murtagian， V.Fanelli， J.A.Villasante， D.H.Johnson and H.A.Ernst.Sealability of Stationary Metal-to-Metal Seals.Journal of Tribology， 2004， 126(3):591～596.

[5]張訊，張相炎.新型組合式炮膛密封結構仿真研究[J].彈道學報，2009，21(3):63～66.

[6]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京:機械工業出版社，2009