膜片組件的仿真與試驗(yàn)

□ 閆田田 □ 唐慧慧 □ 張 恬 □ 李振將 □ 郝小龍

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100076

1 研究背景

液壓能源裝置裝配調(diào)試完成后,需要放置幾年甚至幾十年,其間渦輪泵會(huì)發(fā)生微滲,液壓油會(huì)漏入燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi)。為防止渦輪泵漏出的油液流入燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi),保證燃?xì)獍l(fā)生器能夠正常點(diǎn)火啟動(dòng),通常在燃?xì)獍l(fā)生器出口安裝膜片組件,保證渦輪泵與燃?xì)獍l(fā)生器之間的密封性。針對(duì)上述情況,筆者提出一種粘接式膜片組件設(shè)計(jì)方案,并開展仿真分析和試驗(yàn)研究。

目前已有膜片方面的相關(guān)研究。劉國(guó)斌等[1]根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)尾噴管的工作情況,分析長(zhǎng)尾噴管堵蓋的仿真計(jì)算及試驗(yàn)過程,確定2A12 鋁堵蓋受內(nèi)壓沖擊打開方案。通過SolidWorks軟件有限元靜力分析、VPG/LS-DYNA軟件顯式動(dòng)力仿真,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析,并與試驗(yàn)方案對(duì)比,表明靜力分析對(duì)于堵蓋破裂裂紋的分析預(yù)估能力較差,而顯式動(dòng)力分析可以較準(zhǔn)確地反映堵蓋打開過程,為試驗(yàn)前的驗(yàn)證手段提供了重要理論依據(jù)。陳昌將等[2]研究固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)新型噴管堵蓋結(jié)構(gòu),進(jìn)行堵蓋的承壓和打開試驗(yàn),并基于顯式動(dòng)力學(xué)分析方法,建立三維分析模型,對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行仿真計(jì)算。陳守芳[3]提出液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉部堵蓋設(shè)計(jì)的一種新思路,并與現(xiàn)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉部堵蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,從結(jié)構(gòu)和理論上論證所設(shè)計(jì)喉部堵蓋結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、重復(fù)使用性。屠小昌等[4]介紹固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管硬質(zhì)泡沫堵蓋的設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)過程,發(fā)動(dòng)機(jī)噴管硬質(zhì)泡沫堵蓋打開壓強(qiáng)模擬點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)噴管硬質(zhì)泡沫堵蓋設(shè)計(jì)方案可行,并已在實(shí)際中得到應(yīng)用。閆照鋒[5]對(duì)正拱形十字槽爆破片建立有限元模型,分別分析預(yù)置凹槽形狀、長(zhǎng)度對(duì)爆破壓力的影響,同時(shí)對(duì)平板環(huán)槽型爆破片進(jìn)行有限元數(shù)值仿真,研究膜片有效厚度、凹槽數(shù)量等參數(shù)對(duì)爆破壓力的影響。周春華[6]基于大變形理論和疲勞壽命理論,采用ANSYS有限元軟件,通過對(duì)比分析建立合理的膜片數(shù)值模擬模型,研究膜片式安全閥核心元件膜片的力學(xué)性能,獲得了鋁膜片和橡膠膜片的壓力與中心點(diǎn)位移曲線、疲勞壽命理論數(shù)據(jù),得出橡膠膜片相比鋁膜片具有受壓變形量大、耐疲勞性好的結(jié)論。沈吟青[7]建立膜片破裂過程純結(jié)構(gòu)域有限元模型,對(duì)膜片破裂過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行仿真研究。筆者基于所設(shè)計(jì)的膜片組件,針對(duì)不同的臨界破膜壓力,采用數(shù)值仿真分析膜片組件尺寸和選用材料對(duì)膜片組件破裂過程的影響。

2 膜片組件設(shè)計(jì)

膜片組件結(jié)構(gòu)主要由結(jié)構(gòu)件、有機(jī)玻璃膜片與膠粘劑組成,有機(jī)玻璃膜片通過SY-50s膠粘劑粘接在不銹鋼結(jié)構(gòu)件上。將P1向定義為正向,P2向定義為反向,正向、反向破裂壓力通過設(shè)計(jì)的膜片厚度和外徑保證。膜片組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膜片組件結(jié)構(gòu)

膜片組件結(jié)構(gòu)件材料為1Cr18Ni9Ti,正向破裂壓力為2.5 MPa～5.5 MPa,反向破裂壓力為1.5 MPa～5.0 MP。對(duì)于密封性要求,具體為從正向和反向分別充入0.50 MPa氣壓,各保持5 min,不得出現(xiàn)密封失效。對(duì)于介質(zhì)相容性要求,有兩方面。膜片組件浸入不小于100 mm深的普通水中,保持48 h,從正向和反向分別充入0.50 MPa氣壓,各保持5 min,不得出現(xiàn)出現(xiàn)密封失效。膜片組件浸入不小于100 mm深的航空液壓油中,保持48 h,從正向和反向分別充入0.50 MPa氣壓,各保持5 min,不得出現(xiàn)密封失效。

3 仿真分析

為了設(shè)計(jì)出滿足破裂壓力和密封性要求的膜片組件,利用ANSYS軟件對(duì)三種膜片厚度的破裂壓力進(jìn)行仿真分析[8-10]。三種膜片厚度分別為0.5 mm、0.65 mm、0.8 mm,有機(jī)玻璃特性參數(shù)見表1,膠粘劑常溫拉伸強(qiáng)度為13.97 MPa。

表1 有機(jī)玻璃特性參數(shù)

采用CREO軟件建立膜片組件模型,然后將模型導(dǎo)入ANSYS軟件。按照有機(jī)玻璃膜片在結(jié)構(gòu)件中粘接情況,對(duì)正向和反向分別施加面壓力條件。劃分網(wǎng)格后的膜片組件有限元模型如圖2所示。

圖2 膜片組件有限元模型

三種膜片厚度的膜片組件在各種壓力邊界條件下的仿真結(jié)果如圖3～圖8所示。不同膜片厚度正向仿真結(jié)果對(duì)比見表2,不同膜片厚度反向仿真結(jié)果對(duì)比見表3。

表3 不同膜片厚度反向仿真結(jié)果對(duì)比

圖3 膜片厚度0.5 mm時(shí)正向膜片剪切應(yīng)力

圖4 膜片厚度0.5 mm時(shí)反向粘接面最大法向應(yīng)力

圖5 膜片厚度0.65 mm時(shí)正向膜片剪切應(yīng)力

圖6 膜片厚度0.65 mm時(shí)反向粘接面最大法向應(yīng)力

圖7 膜片厚度0.8 mm時(shí)正向膜片剪切應(yīng)力

圖8 膜片厚度0.8 mm時(shí)反向粘接面最大法向應(yīng)力

仿真結(jié)果表明:膜片組件正向最大剪切應(yīng)力均大于有機(jī)玻璃的剪切強(qiáng)度,膜片組件正向發(fā)生的破環(huán)形式為剪切破環(huán);膜片組件反向粘接面的法向應(yīng)力均大于膠粘劑的拉伸強(qiáng)度,膜片組件反向發(fā)生的破環(huán)形式為粘接失效。

4 試驗(yàn)

4.1 膜片組件破裂壓力試驗(yàn)

通過試驗(yàn)可以測(cè)出膜片組件正向、反向破裂壓力。設(shè)計(jì)試驗(yàn)工裝,將膜片組件安裝在試驗(yàn)工裝中,將試驗(yàn)工裝裝配至高壓氮?dú)馄俊ＴO(shè)置壓力表和調(diào)壓閥,試驗(yàn)過程中通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)高壓氮?dú)馄繅毫?直至膜片組件破裂。記錄壓力表顯示數(shù)值,統(tǒng)計(jì)膜片組件破裂壓力。膜片組件破裂壓力試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 膜片組件破裂壓力試驗(yàn)裝置

選取膜片厚度為0.65 mm的膜片組件進(jìn)行試驗(yàn),先對(duì)24件膜片組件進(jìn)行密封性能試驗(yàn),按密封性要求進(jìn)行試驗(yàn),24件膜片組件均滿足密封性要求。將24件膜片組件分為兩組,一組12件進(jìn)行正向破裂壓力試驗(yàn),另一組12件進(jìn)行反向破裂壓力試驗(yàn)。兩組膜片組件分別從正向和反向進(jìn)行破裂壓力試驗(yàn),直至膜片組件破裂,記錄此時(shí)膜片組件的破裂壓力。膜片厚度為0.65 mm的膜片組件破裂壓力見表4,可以得出試驗(yàn)時(shí)膜片組件破裂壓力和仿真時(shí)相近,仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

表4 膜片厚度0.65 mm膜片組件破裂壓力

4.2 膜片組件浸水浸油試驗(yàn)

選取12件膜片厚度為0.65 mm的膜片組件進(jìn)行浸水浸油試驗(yàn),按照介質(zhì)相容性要求先進(jìn)行浸水試驗(yàn),然后進(jìn)行浸油試驗(yàn)。將經(jīng)過浸水浸油試驗(yàn)的12件膜片組件分為兩組,每組6件,一組進(jìn)行正向破裂壓力試驗(yàn),另一組進(jìn)行反向破裂壓力試驗(yàn),結(jié)果見表5。對(duì)比表4和表5,經(jīng)過浸水浸油和未經(jīng)過浸水浸油,同一膜片厚度的膜片組件破裂壓力一致,可見水和油介質(zhì)對(duì)筆者設(shè)計(jì)方案的破裂壓力無影響,設(shè)計(jì)方案可以適用于水和油環(huán)境的密封。

表5 膜片厚度0.65 mm膜片組件浸水浸油后破裂壓力

5 結(jié)束語

通過對(duì)不同厚度膜片組件進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究,形成了一種密封膜片的設(shè)計(jì)、仿真分析與試驗(yàn)研究方法,為后續(xù)密封膜片的研究提供了一種思路。

通過仿真分析可以得出,膜片組件正向的破壞形式主要為剪切破環(huán),膜片組件反向的破壞形式主要為粘接失效,后續(xù)類似密封膜片設(shè)計(jì),需從剪切破壞和粘接失效兩方面進(jìn)行考慮。

所設(shè)計(jì)的膜片組件經(jīng)過試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證,能夠有效用于渦輪泵與燃?xì)獍l(fā)生器之間的結(jié)構(gòu)密封。

所設(shè)計(jì)的膜片組件實(shí)際已經(jīng)在燃?xì)馑欧簤耗茉囱b置中得到應(yīng)用。

通過試驗(yàn)研究得出,水介質(zhì)和油介質(zhì)對(duì)膜片組件的破裂壓力沒有影響,膜片組件可以應(yīng)用于油環(huán)境的密封。