基于有限元分析耐高壓試驗(yàn)觀察裝置設(shè)計(jì)

尚金鑫 甄子華

摘要：在模擬深海高壓中，應(yīng)用耐高壓試驗(yàn)觀察裝置可模擬出高壓受力情況。通過(guò)試驗(yàn)中對(duì)近似模擬壓力受力的觀察，能夠提高受力的分析準(zhǔn)確性。文章在研究中，設(shè)計(jì)圓錐形耐高壓觀察裝置，對(duì)圓筒型壓力裝置和球殼型壓力裝置的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，以圓通型為主設(shè)計(jì)尺寸。在有限元法的基礎(chǔ)上分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)計(jì)密封裝置，借助Marc有限元軟件，分析O型圈密封情況，獲得最佳密封間隙、壓縮率，驗(yàn)證觀察裝置的安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞：有限元;耐高壓;裝置設(shè)計(jì)

1?耐高壓試驗(yàn)觀察裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

觀察窗在深海設(shè)備中的應(yīng)用，受到的海水壓力相對(duì)較大。一般來(lái)說(shuō)，觀察窗可承受的試驗(yàn)壓力為80Mpa，要求密封性較好，能夠同時(shí)開(kāi)展大尺寸、小尺寸的觀察窗試驗(yàn)[1]。基于此，設(shè)計(jì)球殼型、圓筒型兩種壓力裝置模型。其中，球殼型壓力模型結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒋笮∮^察窗放于相同的壓力容器中試驗(yàn)，不僅可對(duì)大小觀察窗在海底受力情況進(jìn)行正確的模擬，同時(shí)也能夠避免對(duì)大小觀察窗的分次試驗(yàn)，減少壓力試驗(yàn)次數(shù)和步驟。

1.1尺寸設(shè)計(jì)

在海底7000m的位置，深海壓力在70MPa左右。為避免安全系數(shù)出現(xiàn)重復(fù)，設(shè)計(jì)深海壓力為80MPa。同時(shí)，設(shè)計(jì)壓力裝置內(nèi)徑650mm。此時(shí)，以高壓容器為主。依據(jù)強(qiáng)度理論，能夠得到球殼類(lèi)壓力容器壁厚，如公式（1）：

該公式具體使用范圍如下：，若，壓力容器的后壁則為72.22mm。筒狀壓力容器的壁厚，如公式（2）：

在公式（1）與公式（2）中，δ代表的是容器壁厚，單位用mm表示;Di代表的是圓筒容器內(nèi)直徑，單位用mm表示;[δ]代表的是材料許用應(yīng)力;φ代表的是設(shè)計(jì)溫度下，材料強(qiáng)度減弱系數(shù)情況。通過(guò)公式計(jì)算，可得到筒狀壓力容器壁厚，是160mm。

圓筒狀的壓力容器制造流程比較簡(jiǎn)單，且制造的成本相對(duì)偏低。因而，本次試驗(yàn)中，對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)選擇圓筒狀結(jié)構(gòu)。在尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)大小觀察窗的位置、尺寸進(jìn)行考慮，確保兩個(gè)觀察窗的放置位置合理[2]。由于大觀察窗的受力面積大，其直徑為634mm，所以設(shè)計(jì)內(nèi)徑為650mm。

1.2有限元分析

耐高壓試驗(yàn)觀察裝置，主要是對(duì)海底7000m位置的壓力進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)深海壓力在70MPa左右，為確保安全，設(shè)計(jì)深海壓力為80MPa，所以于受壓面施加荷載80MPa的壓力。在選擇壓力裝置材料時(shí)，以普通結(jié)構(gòu)鋼為主[3]。結(jié)合設(shè)計(jì)的尺寸，建立三維模型，壁厚、外圓直徑分別是160mm和900mm。以有限元法，分析球殼型壓力容器。在有限元分析下，壓力裝置最大應(yīng)力與最大應(yīng)變值，分別是337.39MPa和0.001683mm。與結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度極限值相比，最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏小，尺寸設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)要求相符合。

2?耐高壓試驗(yàn)觀察裝置的密封設(shè)計(jì)

2.1O型圈結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為確保安全性，設(shè)計(jì)深海壓力為80MPa。試驗(yàn)中，選取O形橡膠圈進(jìn)行密封。在溝槽及被密封面間安裝O形橡膠圈，截面在受到壓縮變形后，會(huì)使密封圈接觸面產(chǎn)生反彈作用，形成初始密封。在預(yù)緊密封狀態(tài)下，O形橡膠圈會(huì)受到流體的壓力作用，被擠壓到溝槽側(cè)。流體壓力與O形橡膠圈密封面壓力呈正相關(guān)，自緊密封的程度，與壓縮變形量有密切關(guān)系，可用ε表示壓縮變形量，具體公式如（3）：

在上述公式中，d2代表密封截面直徑，H0代表溝槽底與密封面距離。

自緊密封需要滿(mǎn)足如公式（4）的條件：

在上述公式中，σmax、σ1max分別代表的是最大密封和初始的接觸壓力;Kc代表的是壓力傳遞系數(shù);P代表的是工作壓力。

2.2Marc有限元分析

研究所采用的O形橡膠圈，來(lái)源為美國(guó)PARKER公司，硬度86，模型以2D平面建模為主。將O形圈作為研究對(duì)象，因結(jié)構(gòu)、載荷的軸對(duì)稱(chēng)性影響，在有限元建模時(shí)，O形圈的壓縮率為16%。在Marc?Mentat2010中，導(dǎo)入O形圈的二維圖，橡膠圓周長(zhǎng)、間隙分別是18.85m和0.2mm。網(wǎng)格劃分不超過(guò)0.2mm。在設(shè)置邊界條件時(shí)，橡膠圈的受壓側(cè)加載深海壓力為80MPa。對(duì)載荷步定義時(shí)，總加載的時(shí)間是19s，總子步數(shù)是180，收斂容差0.3。以四邊形單元quad11作為密封圈，通過(guò)模型分析，對(duì)橡膠材料力學(xué)性能加以計(jì)算。橡膠硬度86，計(jì)算所得Rivlin系數(shù)C01、C10分別是0.48和1.88，體積模量VALUE23400。

2.3計(jì)算結(jié)果分析

利用Marc有限元軟件，對(duì)等效應(yīng)力、接觸壓力進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)，在深海80MPa的壓力下，有部分橡膠圈被擠入到間隙中。最大等效應(yīng)力、接觸壓力，分別是287.5MPa和155.6MPa，均超過(guò)100MPa。密封界面最大接觸壓應(yīng)力要超過(guò)工作內(nèi)壓，是O形密封圈的密封必要條件。所以，本密封充分滿(mǎn)足自緊密封的要求。不同密封間隙下，密封圈的接觸壓應(yīng)力和應(yīng)力大小不一。從Marc非線性有限元分析，可以明確的是在壓縮率增加下，最大接觸應(yīng)壓力先減小、后增大;而最大應(yīng)力則是先增大、后減小。為降低最大接觸壓應(yīng)力與最大應(yīng)力值，應(yīng)選取小密封間隙、壓縮率。研究結(jié)果顯示，最大接觸壓應(yīng)力超過(guò)80MPa，與自緊密封條件相符合。

3?試驗(yàn)分析

根據(jù)海底7000m位置的70MPa壓力，為確保安全性，設(shè)計(jì)深海壓力80MPa。試驗(yàn)期間，壓力最初為0MPa，隨后逐漸加載至最高80MPa。隨機(jī)取3次壓力加載過(guò)程中，觀察窗低壓面中心點(diǎn)軸向位移情況。對(duì)比分析試驗(yàn)擬合值、理論值、有限元結(jié)果。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，自由邊界理論值，與本次試驗(yàn)的實(shí)際軸向位移值具有一致性。由此可以說(shuō)明，本次試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)比較合理。因觀察窗采用的材料，為有機(jī)玻璃，所以可能會(huì)存在蠕變變形的現(xiàn)象，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)值略微超過(guò)理論值，但并不會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生影響。

結(jié)語(yǔ)：通過(guò)試驗(yàn)分析，對(duì)壓力裝置內(nèi)徑、壁厚等尺寸，以數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)建三維立體模型后，對(duì)模型實(shí)施有限元分析。通過(guò)試驗(yàn)，證實(shí)研究結(jié)果與理論分析具有一致性，設(shè)計(jì)比較合理，可作為實(shí)驗(yàn)分析依據(jù)。同時(shí)，試驗(yàn)裝置以O(shè)型圈結(jié)構(gòu)為主，密封間隙范圍最低0.44mm，最高0.147mm;壓縮率范圍最低10%，最高20%。借助Marc有限元軟件分析后，確定最佳的密封間隙是0.044mm，壓縮率是10%。耐壓80MPa下的密封間隙、壓縮率，對(duì)最大接觸壓應(yīng)力、最大應(yīng)力有積極影響，本次研究結(jié)果可以為日后其他同類(lèi)設(shè)計(jì)，提供參考及建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚黎軍，俞英中，曹燕明，等.基于有限元法的絕緣裝置介電強(qiáng)度校核[J].變壓器，2019，589（10）：21-25.

[2]林子琪，廉玉康.基于有限元的高壓油管壓力控制模型及試驗(yàn)研究[J].中國(guó)高新科技，2020，000（003）：125-128.

[3]李嵐，左敦穩(wěn)，侯源君，等.基于有限元分析的二維振動(dòng)法應(yīng)力釋放裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2020，266（01）：113-116.