水下環境監測器密封分析

韓寶珠

（太原學院， 山西 太原 030032）

引言

水下環境探測器是獲取水下環境信息的主要設備，與地面上的環境探測器相比，其關鍵技術在于密封[1-5]。水下密封前人已經有了很多研究成果，主要集中在單個橡膠圈的密封[6]。對常用密封結構進行改進，在單圈密封的基礎上在加一個密封圈，即：雙圈密封結構。

為了更好地分析水下探測器雙圈密封結構的密封性能，利用計算機有限元分析軟件ANSYS對雙圈密封結構進行數值模擬[7]。主要分析雙圈密封結構O型圈的應力分布及其變化，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 雙圈密封結構簡圖

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，根據超彈性理論，ANSYS中采用多參數的Mooney-Rivlin模型來表示橡膠特性，本文采用2個參數模型，其應變能函數如式（1）所示[8]。

式中:I1、I2為應力張量第一、第二不變量；C10、C01為材料常數，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 密封應力分析

主要分析水上、水下兩種環境中O型圈的von Mises應力和接觸應力。

2.1 水上應力

水上O型圈的應力分布如圖2所示。

圖2 O型圈水上應力（Pa）

分析圖2可知，未下水之前左右兩側O型圈應力分布一致，O型圈與上下槽接觸區的內側von Mises最大、接觸區有連續的接觸應力且中間大兩側小呈對稱分布。

2.2 水下應力

水下O型圈的應力分布如下頁圖3所示。

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

圖3 O型圈水下應力（Pa）

3 應力影響因素分析

根據水下特殊的環境：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形圈最大應力的影響。

3.1 水下壓力

不同水下壓力情況下，密封應力的變化如圖4所示。

圖4 不同水下壓力時的密封應力

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

3.2 水下溫度

不同水下溫度時，密封應力的變化如圖5所示。

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

圖5 不同溫度時的密封應力

4 結論

1）雙圈密封結構中，與水接觸的右側O型圈變形明顯、密封應力值遠大于左側，右側O型圈可實現密封功能，如果其密封失效，左側O型圈會變形起到密封作用，雙圈密封結構可保證環境探測器長時間在水下工作。

2）下潛過程中，環境壓力增大，接觸和von Mises應力增大；溫度降低，接觸和von Mises應力減小。環境壓力對應力的影響遠大于溫度對應力的影響，接觸應力始終大于環境水壓，O型圈在水下能夠實現密封功能。