基于Ansys的艦用大尺寸異形密封圈雙向密封性能數(shù)值研究

石邦凱，鄧茹風(fēng)，李桂菊

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

密封結(jié)構(gòu)是有密封要求的艦船設(shè)備的重要組成部分。密封的有效性對(duì)設(shè)備的性能有著較大影響，而密封圈多利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后通過試驗(yàn)驗(yàn)證密封性能，該方法難以滿足現(xiàn)代精確設(shè)計(jì)的要求[1]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用有限元分析的方法開展密封性能的仿真研究越來越普遍[2–5]。本文運(yùn)用有限元分析軟件Ansys對(duì)密封圈的密封性能進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果判斷密封的有效性，為密封圈和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供支撐。

1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某艦用設(shè)備密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由底座、異形密封圈、壓板、螺釘及壓環(huán)組成。密封圈通過壓板和螺釘緊固在底座之上，密封圈與壓板之間壓縮接觸，實(shí)現(xiàn)密封。該密封結(jié)構(gòu)存在2個(gè)密封位置，實(shí)現(xiàn)雙向密封，下密封位置阻止壓環(huán)右側(cè)海水泄漏至其左側(cè)，上密封位置阻止壓環(huán)左側(cè)海水泄漏至其右側(cè)，雙向海水密封壓力均為0.2 MPa。

由于壓環(huán)和密封圈尺寸均較大，長度方向?yàn)? m左右，且壓環(huán)厚度不大，并采用焊接方式與其基座固聯(lián)，難以較為精確地保證壓環(huán)與密封圈之間的相對(duì)距離，這就大大增加了完全密封的難度。若要實(shí)現(xiàn)雙向完全密封，密封圈需要能夠有效應(yīng)對(duì)配合誤差，為此，設(shè)計(jì)如圖2所示的異形密封圈，其擁有2個(gè)密封舌，能夠?qū)?個(gè)位置進(jìn)行密封，且密封圈設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壓縮量為6 mm（大密封舌水平方向），允許有±2.5 mm的偏差，即密封圈最小壓縮量為3.5 mm，最大壓縮量為8.5 mm。

2 密封結(jié)構(gòu)有限元建模

2.1 材料模型

密封結(jié)構(gòu)中壓環(huán)為不銹鋼，其特性參數(shù)為：

1）彈性模量E=1.9×1011Pa；

2）泊松比u=0.3。

密封圈為丁晴橡膠（NBR），采取2參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來模擬其力學(xué)性能，其特性參數(shù)為：

1）彈性模量E=6.9×107Pa；

2）泊松比u=0.499；

3）Mooney-Rivlin 模型系數(shù)C10=1.87×106Pa，C01=0.47×106Pa。

2.2 假設(shè)條件

計(jì)算建模時(shí)簡化假設(shè)如下：

1）不考慮海水溫度變化對(duì)密封圈的影響；

2）不銹鋼的彈性模量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠，假設(shè)壓環(huán)為剛體；

3）橡膠材料各向同性且均勻連續(xù)。

2.3 計(jì)算模型

依據(jù)上述假設(shè)，對(duì)密封圈進(jìn)行有限元建模，模型尺寸以m為單位，應(yīng)力以Pa為單位。密封圈采用二維實(shí)體單元PLANE182，接觸采用目標(biāo)單元TARGE169和接觸單元CONTA172，其有限元模型如圖3所示。

2.4 邊界條件和載荷

安裝時(shí)通過螺釘和壓板將密封圈緊固在底座上，預(yù)緊力非常大，在與壓環(huán)壓縮過程中不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，因此，密封圈與底座及壓板接觸部位添加全約束。密封圈的變形通過壓環(huán)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)接觸進(jìn)行約束。

密封圈承受的載荷主要有3種：第1種是安裝狀態(tài)下壓環(huán)壓縮密封圈；第2種是密封圈被壓環(huán)壓縮狀態(tài)下，上部施加0.2 MPa密封壓力；第3種是密封圈被壓環(huán)壓縮狀態(tài)下，密封圈下部施加0.2 MPa密封壓力，如圖4所示。

2.5 密封性能判定

密封圈的密封性能的判定主要采取密封面的接觸應(yīng)力作為考察因素，對(duì)于一個(gè)密封結(jié)構(gòu)而言，接觸應(yīng)力的大小是保證密封性能的關(guān)鍵因素，只要接觸壓力大于密封壓力，則可實(shí)現(xiàn)密封，且接觸壓力大于密封壓力的接觸區(qū)域越大密封效果越好。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 安裝壓縮下仿真結(jié)果及分析

安裝壓縮預(yù)緊狀態(tài)下計(jì)算密封圈壓縮量3.5 mm，6 mm及8.5 mm時(shí)的接觸壓力，結(jié)果如圖5所示。

由圖5計(jì)算結(jié)果分析可知，壓縮量3.5 mm，6 mm，8.5 mm時(shí)上下密封位置的最大接觸壓力均大于0.2 MPa，理論上均能夠?qū)崿F(xiàn)較好的密封，但施加密封壓力后密封圈受力狀態(tài)與壓縮預(yù)警狀態(tài)不同，需要進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算以確定其在密封壓力作用下具有較好的密封性能。此外，壓縮量從3.5 mm變化至8.5 mm過程中，最大接觸壓力先減小后增大，但隨著壓縮量的增加，上下密封位置處接觸壓力能夠達(dá)到0.2 MPa以上的區(qū)域明顯增大，即壓縮量越大，密封效果越好。

3.2 上部施加密封壓力下仿真結(jié)果及分析

在密封圈上部施加密封壓力時(shí)，對(duì)密封圈壓縮量3.5 mm，6 mm，8.5 mm等工況進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6計(jì)算結(jié)果分析可知，密封圈施加上部密封壓力后，壓縮量為3.5 m，6 mm，8.5 mm時(shí)，上密封位置處最大接觸壓力大于0.2 MPa，能夠?qū)崿F(xiàn)密封；隨著壓縮量的增加，上密封位置處接觸壓力能夠達(dá)到0.2 MPa以上的區(qū)域明顯增大，即壓縮量越大，密封效果越好；相比較于沒有施加密封壓力的工況，密封圈上部施加密封壓力后，上、下密封位置處的最大接觸壓力均變小，上密封位置處接觸壓力變化較大，下密封位置處的最大接觸壓力變化較小。

3.3 下部施加密封壓力下仿真結(jié)果及分析

在密封圈下部施加密封壓力時(shí)，對(duì)密封圈壓縮量3.5 mm，6 mm，8.5 mm等工況進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7計(jì)算結(jié)果分析可知，密封圈施加下部密封壓力后，壓縮量為3.5 m，6 mm，8.5 mm時(shí)，下密封位置處最大接觸壓力大于0.2 MPa，能夠?qū)崿F(xiàn)密封；隨著壓縮量的增加，上密封位置處接觸壓力能夠達(dá)到0.2 MPa以上的區(qū)域明顯增大，即壓縮量越大，密封效果越好；相比較于沒有施加密封壓力的工況，密封圈下部施加密封壓力后，上、下密封位置處的最大接觸壓力均變大，上密封位置處的最大接觸壓力變化較小，下密封位置處的最大接觸壓力變化較大。

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用有限元仿真計(jì)算的方法分析了密封圈在不同壓縮量及密封壓力工況下的密封性能，得出以下結(jié)論：

1）異形密封圈在允許壓縮范圍內(nèi)隨著壓縮量的增加，能夠?qū)崿F(xiàn)密封的區(qū)域面積隨之增加，即設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的密封圈壓縮量越大，密封效果越來越好；

2）本文設(shè)計(jì)的異形密封圈在壓縮量變化較大時(shí)，密封圈與壓環(huán)的最大接觸壓力均大于要求的密封壓力0.2 MPa，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸密封結(jié)構(gòu)在較大配合誤差工況下的雙向密封，驗(yàn)證了密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；

3）本文所采用的仿真計(jì)算方法能夠?yàn)槠渌芊馊γ芊庑阅艿臄?shù)值計(jì)算提供參考，仿真結(jié)果能夠?yàn)槠渌蟪叽缑芊饨Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

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