帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析

彭富霞 滕官宏偉

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002；3.陸軍裝備部駐株洲地區(qū)航空軍代室，湖南株洲 412002）

0.引言

為了實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，一般需要設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間、附件之間、部件與附件之間以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)之間相互連接，輸送規(guī)定的介質(zhì)（如燃油、滑油等）。管路系統(tǒng)一般包括導(dǎo)管組件、連接件、支架、卡箍等，目前，常見(jiàn)的管路連接件有74°擴(kuò)口式管接頭密封結(jié)構(gòu)和24°無(wú)擴(kuò)口式管接頭密封結(jié)構(gòu)，關(guān)于這兩種管路連接密封結(jié)構(gòu)研究較多，具有較高的技術(shù)成熟度。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，由于溫度、振動(dòng)、介質(zhì)壓力等環(huán)境因素的影響，“跑、冒、滴、漏”問(wèn)題時(shí)常發(fā)生。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)，不斷有新的管接頭密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，不同的研究學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究分析。陳芝來(lái)[1]介紹了一種梁式密封連接結(jié)構(gòu)，并對(duì)密封機(jī)理進(jìn)行有限元仿真分析。駱青業(yè)等[2]研制了一種37°及60°球面密封接頭增加錐形墊片的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并在工程實(shí)踐中成功應(yīng)用。黃其殷等[3]介紹了液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)管路中廣泛應(yīng)用的軟金屬密封結(jié)構(gòu)，并用Nastran進(jìn)行數(shù)值仿真分析。本文介紹了一種在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承座與管路連接處應(yīng)用的帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)，并通過(guò)ANSYS有限元分析軟件，建立密封結(jié)構(gòu)接觸加材料彈塑性變形有限元模型，對(duì)其密封機(jī)理及密封性能進(jìn)行仿真分析。

1.密封結(jié)構(gòu)組成

帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括帶74°管接頭的管路、錐形墊片2個(gè)零件組成。帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)的密封機(jī)理為，通過(guò)螺紋施加預(yù)緊力，迫使錐形墊片發(fā)生彈塑性變形，填充錐面上的凹凸不平，從而阻止介質(zhì)通過(guò)密封面。這種結(jié)構(gòu)常用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端軸承腔供、回油及通風(fēng)管路與軸承座連接處，也可用在高壓介質(zhì)下的外部管路連接處。

圖1 帶錐形墊片管接頭結(jié)構(gòu)示意圖

另一種常見(jiàn)的用于軸承座與管路密封的結(jié)構(gòu)是石墨密封結(jié)構(gòu)，由石墨密封環(huán)和帶接頭的管路組成，通過(guò)管路擠壓石墨密封環(huán)實(shí)現(xiàn)密封。

與石墨密封結(jié)構(gòu)相比，在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）管路通經(jīng)應(yīng)用范圍廣，石墨密封環(huán)的加工難度大，錐形墊片更易實(shí)現(xiàn)從小通徑管路到大通徑管路的應(yīng)用。

（2）維護(hù)性好，石墨密封環(huán)易損，拆裝均需工裝實(shí)現(xiàn)，錐形墊片鎖緊在管接頭上，只需擰緊即可，裝配性更好，更易維護(hù)。

（3）經(jīng)濟(jì)性好，石墨密封環(huán)的價(jià)格高，需要特殊定制采購(gòu)，錐形墊片只需普通軟金屬帶材沖壓而成，經(jīng)濟(jì)性更好。

（4）具有良好的抗振性，在壓緊力作用下，錐形墊片發(fā)生彈塑性變形，填充錐面上的凹凸不平，從而使管接頭和軸承座形成一個(gè)緊密的整體，可在管路另一頭設(shè)置專(zhuān)門(mén)的放松裝置，避免因振動(dòng)而導(dǎo)致回彈發(fā)生泄漏。

2.有限元仿真模型建立

本文選擇公稱(chēng)外徑為10mm的帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。

2.1 材料模型

軸承座材料為K4163，彈性模量E=186Gpa，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度σ0.2=935MPa；管接頭材料為GH4169，彈性模量E=204Gpa，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度σ0.2=1030MPa；錐形墊片為帶N6-M，彈性模量E=207GPa，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度σ0.2=59MPa，查閱資料，獲得N6-M的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)如表1所示。由于K4163和GH4169的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于N6-M屈服強(qiáng)度，因此，在計(jì)算中K4163和GH4169使用彈性本構(gòu)模型，N6-M材料特性采用彈塑性本構(gòu)模型。

表1 帶N6-M材料應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)值模型

由于計(jì)算主要分析的是帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)的變形和接觸應(yīng)力，故將模型簡(jiǎn)化為只有管接頭、錐形墊片和安裝接口的軸對(duì)稱(chēng)模型，并忽略管接頭與安裝接口之間的螺紋。取1/4簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用ANSYS中六面體單元，網(wǎng)格尺寸量級(jí)選取0.5mm，為了較準(zhǔn)確計(jì)算錐形墊片接觸面的變形和應(yīng)力，錐形墊片與管接頭、安裝接口接觸面附近網(wǎng)格尺寸量級(jí)取0.1mm。

2.3 邊界條件及載荷

2.3.1 邊界條件

在軸承座安裝接口處添加固定約束，在1/4模型的對(duì)稱(chēng)面添加對(duì)稱(chēng)約束。

2.3.2 定義接觸對(duì)

施加在管接頭與安裝接口螺紋副的擰緊力矩使錐形墊片與安裝接口之間產(chǎn)生有效的接觸密封面。采用ANSYS里的suface-suface接觸，定義錐形墊片與安裝接口之間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)均取0.15，錐形墊片與管接頭、管接頭與安裝接口之間為綁定接觸。

2.3.3 載荷

帶管接頭錐形墊片密封結(jié)構(gòu)的載荷包括螺紋副連接產(chǎn)生的軸向力和流體的壓強(qiáng)。由于本案例管路系統(tǒng)介質(zhì)壓力僅為0.2MPa，為便于計(jì)算分析，忽略不計(jì)流體的壓強(qiáng)，僅考慮軸向力的影響。

螺紋副連接產(chǎn)生的軸向力F由擰緊力矩T來(lái)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)螺紋連接的受力分析，擰緊力矩與軸向力的計(jì)算公式為：

式中，d2—螺紋中徑（mm）；

λ—螺紋升角（°）；

φ—螺旋副的當(dāng)量摩擦角（°）。

對(duì)于公稱(chēng)外徑為10mm的管路，螺紋規(guī)格為M16×1，參考HB4-1，擰緊力矩暫定為（27～36）N·m，選取暫定范圍內(nèi)4個(gè)點(diǎn)，運(yùn)用計(jì)算公式得到軸向力載荷如表2所示。

表2 帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)連接載荷

3.仿真結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分析

經(jīng)過(guò)有限元仿真分析，帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)在施加了27N·m、30N·m、33N·m、36N·m 4個(gè)擰緊力矩狀態(tài)下的等效應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 不同擰緊力矩下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖

從圖中可以看出，在不同的擰緊力矩下，密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布趨勢(shì)一致，最大應(yīng)力范圍在383MPa～508MPa，與管接頭和軸承座的屈服強(qiáng)度相比，裕度較大，零件結(jié)構(gòu)不會(huì)受破壞。錐形墊片的最大應(yīng)力已遠(yuǎn)超過(guò)材料的屈服極限，沿密封面出現(xiàn)塑性變形，仿真結(jié)果也進(jìn)一步地驗(yàn)證了，錐形墊片使用彈塑性建模的必要性。

3.2 接觸應(yīng)力分析

利用ANSYS的接觸對(duì)分析，提取在27N·m、30N·m、33N·m、36N·m 4個(gè)擰緊力矩狀態(tài)下的接觸應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 不同擰緊力矩下錐形墊片接觸應(yīng)力分布云圖

從圖3中可以看出，隨著擰緊力矩的增大，最大接觸應(yīng)力逐步增大，且相應(yīng)的符合密封條件的接觸應(yīng)力區(qū)域也逐漸增寬。為準(zhǔn)確得到接觸應(yīng)力與密封寬度的對(duì)應(yīng)曲線，將錐形墊片沿線上各節(jié)點(diǎn)的接觸應(yīng)力提取出，以錐形墊片小直徑為起始點(diǎn)，形成接觸應(yīng)力與接觸長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同擰緊力矩下錐形墊片接觸應(yīng)力分布云圖

從圖4中的曲線中可以看出，接觸應(yīng)力在錐形墊片的0.2mm到2.0mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)呈線性遞增。計(jì)算密封面寬度時(shí)，認(rèn)為產(chǎn)生塑性變形的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置是接觸的，由此得出，在（27～36）N·m的擰緊力矩范圍內(nèi)，錐形墊片與安裝接口之間形成密封面寬度為1.4mm～1.9mm，顯然，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不小于1.5mm的密封寬度相比，不符合密封要求。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，管路熱變形、機(jī)械變形以及振動(dòng)等原因也會(huì)導(dǎo)致擰緊力矩的衰減。因此，對(duì)于帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，參考HB4-1來(lái)選取擰緊力矩，是不符合密封要求的，工程實(shí)際中應(yīng)給更大的擰緊力矩。

4.結(jié)論

本文介紹了一種新型帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)，對(duì)比了該結(jié)構(gòu)與石墨密封結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，分析了帶錐形墊片管接頭密封結(jié)構(gòu)的密封機(jī)理，基于ANSYS建立了1/4數(shù)值模型，參考HB4-1選取擰緊力矩，計(jì)算（27～36）N·m擰緊力矩下管接頭密封帶寬度，經(jīng)與密封標(biāo)準(zhǔn)相比，此擰緊力矩偏小，為帶錐形墊片管接頭工程使用時(shí)擰緊力矩的確定，提供了參考和依據(jù)。