安全殼閘門用O形密封圈非線性有限元分析

周新蓉++吳晨暉++丁巍

摘 要：安全殼人員閘門和設備閘門是保證安全殼壓力邊界密封性和完整性的重要組成部分。閘門密封性直接關系到人員的安全性。閘門通過O形密封圈實現密封功能，本文采用ANSYS Workbench17.0建立O形密封圈二維軸對稱模型，通過兩個荷載步模擬密封圈預壓縮和受介質壓力兩種狀態，研究不同密封溝槽尺寸、不同初始壓縮率以及不同O形圈硬度下O形密封圈的變形、應力和最大接觸應力的變化，為閘門密封設計提供依據和參考。

關鍵詞：閘門；O形密封圈；非線性有限元分析；接觸應力

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

Abstract：The personnel airlock and equipment airlock are important parts for ensuring sealing and integrality of containment vessel. Its sealing propriety direct concerns peoples security. The airlocks sealing function is achieved by O-ring seal. Through ANSYS Workbench17.0，the two-dimensional axisymmetric finite element model of the rubber O-ring is established， two load steps are used to simulate the O-ring seals two cases. By analyzing the O-ring seals total deformation， von-mises stress and maximum contact stress under different seal groove， compression ratio， and hardness， the sealing effect law under different controlling factor is achieved， thus providing bases for the designing of airlock sealing.

Keywords：airlock；O-ring seal；nonlinear finite element analysis；contact stress

0.引言

安全殼人員閘門和設備閘門作為安全殼壓力邊界的重要組成部分，在反應堆正常運行工況和異常工況期間，能保證安全殼結構的完整性和密封性。

O密封圈具有結構簡單、密封可靠等優點，應用十分廣泛，國內外也已有較多的使用和設計規范標準供參考，雖給設計帶來一定方便，但想要分析優化設計，保證密封性能，還需有限元仿真進行分析，探索各影響因素的影響規律，為后期氣密性實驗提供可靠的密封方案，節約實驗成本。

1.計算模型

1.1橡膠材料本構模型

橡膠材料的非線性主要表現在3個方面：（1）狀態非線性，是由于接觸狀態的不確定引起；（2）幾何非線性，橡膠材料在荷載的作用下會產生大變形，其位移-應變關系為非線性；（3）材料非線性，橡膠材料泊松比接近0.5，幾乎不可壓縮，還會產生蠕變和松弛，屬于超彈性材料。

橡膠材料的應力應變關系使用應變能密度函數來描述，在ANSYS中使用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的本構關系，含有兩個參數的Mooney-Rivlin方程為：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3）

式中，W表示應變能，I1、I2表示第一、第二Green應變不變量，C10、C01為Mooney-Rivlin系數。

橡膠材料選用三元乙丙橡膠，根據橡膠材料的硬度或彈性模量可計算兩個參數的具體值，對肖氏硬度為70，彈性模量為5.54MPa的橡膠圈，式中C10=738889Pa，C01=184722Pa。

假設橡膠材料不可壓縮，并假設上下法蘭為剛體，具體參數見表1。

1.2有限元模型

在ANSYS Workbench17.0中建立橡膠壓縮組件的平面軸對稱模型，如圖1所示，上下法蘭為鋼材。為保證計算精度和收斂性，均采用四面體網格進行劃分。

模型中包含兩個接觸對：（1）上法蘭與O形圈的接觸；（2）下法蘭與O形圈的接觸。均為摩擦型接觸，摩擦系數為0.2，接觸算法采用增強的拉格朗日乘子法。荷載的施加分為兩個荷載步：（1）對上法蘭施加向下的位移載荷，模擬預壓縮狀態下的O形圈初始壓縮變形；（2）在O形圈左側邊界上施加均布壓力荷載，模擬操作狀態下O形圈受介質壓力的作用。

閘門所受最大介質壓力為0.65MPa，基于該介質壓力以及O形圈的規格，探索不同壓縮率、不同溝槽寬度和不同肖氏硬度下的密封性能。

2.計算結果與分析

2.1兩種受力狀態下的結果分析

閘門關閉后，O形圈在徑向產生一定的壓縮量，為預壓縮狀態，然后O形圈受到介質壓力的單側作用，為受介質壓力狀態，兩種狀態下的von-Mises應力云圖如圖2所示，預壓縮狀態下最大von-Mises應力呈啞鈴狀，在施加介質壓力后，最大應力向右側移動。

位移和介質壓力均以斜坡荷載的形式施加在O形圈上，圖3顯示了最大von-Mises應力和最大接觸應力隨兩個荷載步的變化，在預壓縮時，最大von-Mises應力和最大接觸應力隨著壓縮量的增加呈線性增長，當施加介質壓力時，最大接觸應力的增長幅度大于最大von-Mises應力，體現了O形圈在介質壓力下的自密封作用。

2.2不同壓縮率下的結果分析endprint

對于靜密封，O形圈的壓縮量選取范圍為15%～25%，依據國標規定的溝槽尺寸設計時，最大壓縮量為16.4%，另計算壓縮量為20%、25%下的von-Mises應力和變形，對O形圈左側施加的均布壓力為0.65MPa，計算結果見表2。

由于O形圈密封截面上的最大接觸壓應力不小于工作壓力時才能保證密封，可見，不同壓縮率下最大接觸應力均大于介質壓力，都能滿足密封性要求，但在保證密封性的前提下，壓縮率應盡量小以避免永久性變形。

圖4是不同壓縮率、相同介質壓力下O形圈的von-Mises應力云圖，可以看出，最大應力出現在O形圈中間靠下部，隨著壓縮率的增大，應力逐漸向下部轉移。

2.3不同溝槽寬度下的結果分析

分別計算溝槽寬度為9.5mm和7mm時的O形圈的受力狀態，進行對比。計算的壓縮率為16.4%，介質壓力為0.65MPa。在預壓縮狀態下，兩種溝槽寬度的von-Mises應力云圖如圖5所示。溝槽寬度為9.5mm的O形圈僅右側受到擠壓，最大von-Mises應力呈啞鈴形狀，而溝槽寬度為7mm的O形圈兩側均受到的擠壓，最大應力出現在啞鈴狀靠下部。

兩種溝槽寬度時預壓縮狀態和受介質壓力狀態下最大von-Mises應力和最大接觸應力結果見表3，在預壓縮時，溝槽寬度為7mm的O形圈應力大于9.5mm時的應力；在受到介質壓力后，溝槽寬度為7mm的O形圈應力小于9.5mm時的應力。為保證受介質壓力時的密封性要求，并考慮到減小O形圈的殘余變形，溝槽寬度選取9.5mm更合適。

2.4不同硬度下的結果分析

分別計算O形圈肖氏硬度為60、70、80時，在受到0.65MPa介質壓力下的應力和變形，von-Mises應力云圖如圖6所示，最大應力和變形值見表4。

對比圖6的von-Mises應力云圖，硬度為60的O形圈最大應力發生在邊界部位，而硬度增加后，最大應力發生部位變為中間啞鈴狀處，但O形圈與法蘭的接觸寬度隨著硬度的增加而減小。

分析表4中應力數據可得，最大von-Mises應力和最大接觸應力隨著硬度增加增長較快，接觸應力大有利于保證密封性能，但對橡膠材料的強度也有更高的要求。

從耐久性考慮，硬度稍大的O形圈性能較好，但硬度過大會減小密封接觸寬度從而降低密封效果。

結論

通過分析得到安全殼閘門用O形密封圈有如下結論：

（1）從預壓縮到施加介質壓力后，O形圈與法蘭的接觸應力增大較明顯，可說明O形圈具有一定的自密封作用。

（2）O形圈的壓縮量越大，與法蘭的接觸寬度越大，接觸應力也越大，故密封性能越好，但O形圈所受應力也越大，越容易使O形圈發生應力松弛和永久變形，故在保證密封性的前提下，壓縮量應盡量小，本文選取壓縮率為16.4%的方案。

（3）考慮到使von-Mises應力較小的情況下增大接觸應力從而提高密封性能，使O形圈在預壓縮狀態下單側受壓的溝槽寬度比雙側受壓的溝槽寬度更合適。故選取密封溝槽寬度為9.5mm的方案。

（4）硬度越小的O形圈，在受到介質壓力時，接觸寬度越大，但接觸應力越小，且更容易產生局部破壞，針對本文閘門的設計工況，硬度為70的O形圈更為合適。

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