水下環(huán)境監(jiān)測器密封分析

韓寶珠

（太原學(xué)院， 山西 太原 030032）

引言

水下環(huán)境探測器是獲取水下環(huán)境信息的主要設(shè)備，與地面上的環(huán)境探測器相比，其關(guān)鍵技術(shù)在于密封[1-5]。水下密封前人已經(jīng)有了很多研究成果，主要集中在單個橡膠圈的密封[6]。對常用密封結(jié)構(gòu)進行改進，在單圈密封的基礎(chǔ)上在加一個密封圈，即：雙圈密封結(jié)構(gòu)。

為了更好地分析水下探測器雙圈密封結(jié)構(gòu)的密封性能，利用計算機有限元分析軟件ANSYS對雙圈密封結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬[7]。主要分析雙圈密封結(jié)構(gòu)O型圈的應(yīng)力分布及其變化，為水下的密封可靠性分析提供參考。

1 有限元仿真

1.1 仿真模型

以內(nèi)徑Φ30 mm、線徑Φ1.8 mm的O型圈為例建立ANSYS二維簡化模型，如圖1所示。

圖1 雙圈密封結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 橡膠模型

丁腈橡膠（NBR）具有極強的耐水性，因此O型圈材料選用丁腈橡膠。橡膠是一種高度非線性的超彈性材料，根據(jù)超彈性理論，ANSYS中采用多參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來表示橡膠特性，本文采用2個參數(shù)模型，其應(yīng)變能函數(shù)如式（1）所示[8]。

式中:I1、I2為應(yīng)力張量第一、第二不變量；C10、C01為材料常數(shù)，分別為1.87、0.47。

仿真分析中假定橡膠具有確定的彈性模量（14.04 MPa）和泊松比（0.499），忽略橡膠蠕變等。

2 密封應(yīng)力分析

主要分析水上、水下兩種環(huán)境中O型圈的von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力。

2.1 水上應(yīng)力

水上O型圈的應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 O型圈水上應(yīng)力（Pa）

分析圖2可知，未下水之前左右兩側(cè)O型圈應(yīng)力分布一致，O型圈與上下槽接觸區(qū)的內(nèi)側(cè)von Mises最大、接觸區(qū)有連續(xù)的接觸應(yīng)力且中間大兩側(cè)小呈對稱分布。

2.2 水下應(yīng)力

水下O型圈的應(yīng)力分布如下頁圖3所示。

分析圖3可知，環(huán)境探測器下水過程中，右側(cè)與水接觸的O型圈受到水壓的作用變形從而起到密封作用，左側(cè)O型圈保持原來狀態(tài)。水下環(huán)境復(fù)雜且右側(cè)O型圈應(yīng)力值相對較大，長時間工作可能會密封失效，這時左側(cè)O型圈會繼續(xù)變形，仍可起到密封作用，以確保環(huán)境探測器長時間在水下工作。

圖3 O型圈水下應(yīng)力（Pa）

3 應(yīng)力影響因素分析

根據(jù)水下特殊的環(huán)境：深度增大100 m壓力增大1 MPa、溫度范圍約為2～25℃，以水下500 m工作深度為例，主要分析水下壓力、溫度對O形圈最大應(yīng)力的影響。

3.1 水下壓力

不同水下壓力情況下，密封應(yīng)力的變化如圖4所示。

圖4 不同水下壓力時的密封應(yīng)力

從圖4可知，下水深度增大，von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力都增大且接觸應(yīng)力值較大，接觸應(yīng)力值大于水下的環(huán)境壓力，O型圈可實現(xiàn)密封功能。

3.2 水下溫度

不同水下溫度時，密封應(yīng)力的變化如圖5所示。

下水深度增大，環(huán)境溫度逐漸減小。通過圖5可知，接觸應(yīng)力大于von Mises應(yīng)力，下潛過程中von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力都在減小但接觸應(yīng)力始終大于環(huán)境壓力。對比圖4可知，水下壓力對密封應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于溫度對密封應(yīng)力的影響。

圖5 不同溫度時的密封應(yīng)力

4 結(jié)論

1）雙圈密封結(jié)構(gòu)中，與水接觸的右側(cè)O型圈變形明顯、密封應(yīng)力值遠(yuǎn)大于左側(cè)，右側(cè)O型圈可實現(xiàn)密封功能，如果其密封失效，左側(cè)O型圈會變形起到密封作用，雙圈密封結(jié)構(gòu)可保證環(huán)境探測器長時間在水下工作。

2）下潛過程中，環(huán)境壓力增大，接觸和von Mises應(yīng)力增大；溫度降低，接觸和von Mises應(yīng)力減小。環(huán)境壓力對應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于溫度對應(yīng)力的影響，接觸應(yīng)力始終大于環(huán)境水壓，O型圈在水下能夠?qū)崿F(xiàn)密封功能。