基于有限元的O形橡膠密封圈裝配過程參數(shù)影響分析

李記威+曹軍偉+王國銳+張澤遠

摘 要： 利用有限元軟件對某固體發(fā)動機O形橡膠密封圈裝配過程進行仿真分析。 研究了裝配過程中密封圈材料參數(shù)、 密封圈與發(fā)動機殼體摩擦系數(shù)、 軸向裝配速度和結構參數(shù)對密封圈剪應力的影響。 結果表明， 材料參數(shù)、 摩擦系數(shù)以及裝配速度是影響密封圈最大剪應力的主要因素。

關鍵詞： 固體發(fā)動機； O形橡膠密封圈； 裝配； 有限元； 超彈性

中圖分類號： V435 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-5048（2017）06-0072-05[SQ0]

0 引 言

空空導彈固體發(fā)動機工作環(huán)境復雜[1]， 發(fā)動機工作過程中燃燒室承受高溫、 高壓燃氣， 因此密封結構的可靠性是發(fā)動機設計的關鍵技術之一。 燃燒室零件之間的密封一般采用O形橡膠密封圈， 密封圈能否可靠工作直接關系到發(fā)動機任務成敗。 發(fā)動機密封在設計、 生產(chǎn)、 使用等環(huán)節(jié)均需要重點關注。 特別是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的裝配質量， 是決定密封結構是否可靠的關鍵一環(huán)。 但密封圈在裝配過程中難以觀察， 密封圈是否會發(fā)生剪切破壞不容易被發(fā)現(xiàn)， 因此通過對裝配過程仿真， 從而在理論上獲得各參數(shù)對裝配的影響規(guī)律， 最大程度避免密封圈在生產(chǎn)過程中受剪切破壞。

國內針對O形橡膠密封圈的密封性能研究較多[2-14]。 陸婷婷等[2]對O形橡膠密封圈的截面直徑、 間隙張開量、 間隙張開時間、 壓縮率和壓力對密封圈密封性能的影響進行了仿真分析。 閆平義等[9]設計了橡膠回彈性測試儀， 對固體火箭發(fā)動機用氟橡膠圈密封材料回彈特性進行了研究。 陳汝訓[13]對提高密封結構可靠性提出了有益的建議。

國內研究主要集中在密封圈使用過程， 對密封圈裝配過程研究較少。 本文對某型發(fā)動機前封頭裝配過程進行了有限元仿真， 對裝配過程影響密封圈受剪切的幾種因素進行梳理和參數(shù)影響分析， 得到了主要影響參數(shù)， 結論對設計與生產(chǎn)具有一定的參考意義。

1 仿真分析

1.1 假設條件及模型參數(shù)

發(fā)動機密封圈裝配過程仿真模擬， 假設：

（1） 發(fā)動機各金屬組成設為剛體；

（2） 橡膠材料各向同性， 且近似不可壓縮；

（3） 考慮幾何非線性效應；

（4） 前封頭裝配過程與燃燒室筒體（以下簡稱筒體）完全對中。

有限元軟件用應變勢能來表達超彈性材料的應力-應變關系， 有多種不同的應變勢能模型。 此外， 有限元軟件可直接輸入試驗數(shù)據(jù)， 包括：

（1） 單軸拉伸和壓縮；

（2） 等雙軸拉伸和壓縮；

（3） 平面拉伸和壓縮；

（4） 體積拉伸和壓縮。

由于單軸試驗數(shù)據(jù)容易得到， 且應用最為廣泛， 本文采用單軸拉伸試驗數(shù)據(jù)。

發(fā)動機前封頭與筒體密封結構件如圖1～2所示。 圖1為裝配前結構位置， 圖2為裝配后結構位置。

模型橡膠密封圈參數(shù)中， 泊松比取0.499 99， 單軸拉伸數(shù)據(jù)如圖3所示。 裝配速度0.5 mm/s， 不計密封圈與筒體和前封頭之間的摩擦。

1.2 裝配過程分析

裝配過程中， 密封圈在封頭密封槽里， 封頭沿軸向朝著筒體內部方向平行推進， 進入密封面倒角時， 密封圈被壓縮變形， 當密封圈完全進入密封面后， 封頭繼續(xù)沿原方向移動， 直至達到安裝。

密封圈進入密封面的整個過程如圖4～7所示。 由圖可知， 密封圈通過筒體倒角時， 首先與封頭的尖角a和筒體的尖角b接觸， 此時由于密封圈變形較小， 未產(chǎn)生較大剪應力， 如圖4所示。 在通過筒體尖角c時， 產(chǎn)生最大剪應力， 此時密封圈容易受剪切破壞， 達到最大剪應力， 如圖5～6所示。 當密封圈全部進入筒體密封面后， 密封圈剪應力由外到內層層均勻增大， 如圖7所示。

2 參數(shù)影響分析

密封圈裝配過程影響因素較多， 通過辨識， 對O形橡膠密封圈材料參數(shù)、 結構參數(shù)、 摩擦系數(shù)和裝配滑動速度進行參數(shù)化仿真分析， 得到了各參數(shù)對發(fā)動機密封圈裝配過程影響程度結果。 為方便模型間對比分析， 所有計算結果均為密封圈上最大剪應力位置點隨時間變化數(shù)據(jù)。

2.1 橡膠材料參數(shù)

實際生產(chǎn)過程中， O形橡膠密封圈材料拉伸的應力-應變曲線均有不同程度差異。 表觀上， 橡膠材料拉伸數(shù)據(jù)中同樣應變條件下應力越大， 則材料硬度越高。 為研究拉伸曲線對密封圈裝配過程影響， 對三種材料應力-應變曲線進行了仿真對比， 應力-應變曲線如圖8所示， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同。

橡膠硬度與材料拉伸曲線具有相關性， 相對來說橡膠材料A表現(xiàn)高硬度、 橡膠材料B中硬度、 橡膠材料C低硬度。

圖9所示為三種材料的剪應力-時間變化曲線。 從圖9可以看出， 材料A最大剪應力高于材料B達2倍以上， 材料C也高于材料B， 因此材料力學性能曲線對裝配過程具有較大影響。 此外， 當密封圈裝入密封面后， 殘余剪應力也與材料力學曲線相關。 表現(xiàn)為材料A最大， 材料B最小， 材料C略大于材料B。 而殘余應力對橡膠老化具有較大影響[13]， 因此， 為避免裝配過程中過高剪應力以及橡膠材料過快老化， 應選擇應力-應變曲線適中的橡膠。

2.2 結構參數(shù)

由圖4～5和圖9可知， 密封圈在筒體尖角c位置產(chǎn)生最大剪應力， 因此對該尖角設計過渡圓弧并進行仿真計算， 結果如圖10所示， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同。 由圖10可知， 過渡圓弧對降低剪應力峰值有一定作用， 同時， 尖角c加過渡圓弧后， 剪應力上升更為平滑， 有利于密封圈滑入密封面， 建議尖角c增加過渡圓弧。

2.3 摩擦系數(shù)

密封圈裝配過程中有一定的滑動距離， 特別在滑入密封面時， 密封圈與筒體的摩擦可能對剪應力最值產(chǎn)生影響。 因此， 對模型在不同摩擦系數(shù)下進行了仿真分析， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同， 結果如圖11所示。 隨著摩擦系數(shù)的增大， 剪應力極值出現(xiàn)在時間上逐漸后移， 且最大值隨著摩擦系數(shù)增大逐漸上升。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是密封圈與筒體摩擦越嚴重， 越不利于密封圈滑入密封面， 最大剪應力在時間上表現(xiàn)滯后。 此外， 隨著摩擦系數(shù)的增加， 最大剪應力顯著上升， 表明摩擦系數(shù)是裝配過程的主要影響因素。

為避免摩擦系數(shù)增加引起剪應力上升， 在密封圈安裝前應均勻涂抹潤滑脂或采取其他潤滑措施， 降低安裝過程剪切風險。

2.4 裝配速度

密封圈裝配速度是又一種影響剪應力的參數(shù)。 對三種裝配速度進行仿真分析， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同， 結果如圖12所示。 結果表明， 裝配速度越快， 密封圈到達尖角c時的最大剪應力上升越快， 峰值越大， 且速度到達一定時， 與尖角b接觸時剪應力極值急劇上升， 量級接近與尖角c接觸時的剪應力極值。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是密封圈在裝配過程中需要擠壓變形， 當擠壓過快時， 密封圈來不及滑入密封面， 擠壓變形很大， 剪應力快速上升， 這不利于對密封圈的保護。 因此， 密封圈擠入密封面時， 應盡量降低進給量， 避免剪切密封圈。

3 結 論

（1） 在滿足密封需要的情況下， 密封圈硬度太高或太低對裝配均不利， 且橡膠材料參數(shù)是密封圈殘余剪應力的決定性因素。

（2） 筒體密封面的尖角c應加工過渡圓弧， 該措施可降低密封圈最大剪應力峰值， 且使剪應力上升過程圓滑。 計算顯示， 圓弧越大， 最大剪應力越小。

（3） 密封圈和筒體的摩擦系數(shù)對裝配過程最大剪應力影響較大， 安裝過程中應在密封圈外部均勻涂抹潤滑脂或采取其他潤滑措施， 以降低密封圈剪切的風險。

（4） 密封圈的軸向裝配速度對密封圈擠入密封面過程影響同樣較大， 速度越小， 剪應力上升越慢， 速度越大， 剪應力上升越快。 因此密封圈裝配時， 應盡量降低裝配速度。

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Parameter Analysis of Assembling Rubber O Ring Based on Finite Element

Li Jiwei， Cao Junwei， Wang Guorui， Zhang Zeyuan

（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

Abstract： The assembling rubber O ring of a solid motor is simulated by using finite element software. The influence of the rubber material parameter， the friction coefficient between O ring and motor case， the axial velocity of assembling and the configuration parameter on the shear stress of the O ring are studied. As a result， the main factor on the maximum shear stress of the O ring is rubber material parameter， friction coefficient and the axial velocity of assembling.

Key words： solid motor； rubber O ring； assembling； finite element； hyper-elasticity