石墨密封組件波形彈簧回彈仿真性能分析

張冰波

（空裝駐保定地區(qū)軍事代表室，河北 保定 071000）

石墨密封系統(tǒng)作為航空高溫密封元器件，被應(yīng)用于多種所需耐高溫動密封組，其核心彈性特性對于扭矩傳遞過程中的振動、沖擊以及噪聲等控制都起到關(guān)鍵作用。為了緩沖發(fā)動機(jī)啟動以及運(yùn)行過程總瞬間造成的沖擊、振動，通常都需要把具有軸向彈性結(jié)構(gòu)的波形彈簧安裝在石墨接觸面內(nèi)側(cè)。此外，波形彈簧作為航空密封體系中的重要組成件，是航空發(fā)動機(jī)主氣流通道和二次氣流通道以及各種非金屬/金屬密封系統(tǒng)重要組成部分，其主要作用則是在體系中發(fā)揮彈性補(bǔ)償作用。近年來隨著我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)和性能的不斷改進(jìn)，波形彈簧需要適應(yīng)更加嚴(yán)苛的工作條件，這對波形彈簧的設(shè)計選材以工藝制造提出了更高的要求[1]。波形彈簧結(jié)構(gòu)為帶有若干個正弦波形環(huán)件，相較于傳統(tǒng)彈簧，波形彈簧的變形能是由波峰波谷的變形存儲決定的，軸向或徑向尺寸普遍較小，擁有了更好的儲能、緩沖、減震和降噪能力[2-4]。通常波形彈簧只需占用螺旋彈簧所需空間的30%～50%就能達(dá)到同級別性能要求。

目前國內(nèi)外主流波形彈簧的制造方法主要為沖壓或者液壓成形[5-6]，液壓回彈則成為了成形制造中不可避免的缺陷，其與諸多因素相關(guān)。如材料的力學(xué)性能、工序造型以及板料的外形一致性等。這也導(dǎo)致了波形彈簧回彈難以準(zhǔn)確預(yù)測和有效控制。該缺陷的存在不僅會嚴(yán)重影響零件尺寸精度，還會導(dǎo)致零件受力的不均從而促使密封失效。因此，彈簧成形的回彈性準(zhǔn)確預(yù)測是保證波簧有效制造獲得良好商品性以及適用性的至關(guān)重要因素之一。

本文將以GH738 鎳基高溫合金板的成形工藝為研究對象，研究影響液壓成形的回彈因素。首先，基于當(dāng)前某航空企業(yè)壓載裝置，進(jìn)行基本外形構(gòu)建并使其鋼板產(chǎn)生局部塑性變形。隨著加載量的增大，板材變形程度逐漸增大，待達(dá)到目標(biāo)形狀后，卸載完成加載過程。然后，通過ABAQUS 軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，對比實驗結(jié)果以驗證仿真方法的有效性，并基于該方法，分別分析鋼板局部液壓成形過程中影響回彈的各種因素。最后，根據(jù)計算結(jié)果得到厚度等影響因素與回彈之間的關(guān)系[6-8]。

1 波形彈簧幾何特征

當(dāng)前石墨密封組件單波形彈簧環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要幾何參數(shù)：外徑D=Φ90mm，內(nèi)徑d=Φ86 mm，壁厚δ=0.4 mm，自由高度h=8 mm，整體走向為正弦波波形，總3 組波峰波谷。

圖1 波形彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

2 波形彈簧的成形有限元建模建立

2.1 材料模型

本次仿真所用的材料為高溫鎳基合金GH738，通過單向拉伸試驗獲得材料的超薄壁鋼板的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，具體參數(shù)如圖2 所示。基本力學(xué)物理性能指數(shù)見表1。

表1 GH738 材料基本力學(xué)性能

圖2 GH738 真應(yīng)力應(yīng)變測試曲線

2.2 仿真模型

基于ABAQUS/Explicit 軟件平臺建立了如圖3 所示的液壓有限元模型，建模過程中解決了以下關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 GH738 波形彈簧搭載模型

2.2.1 網(wǎng)格處理

在液壓成形過程，上模勻速下壓，依據(jù)常規(guī)成形法對應(yīng)模型建立，設(shè)計圓形料作為成形坯，其內(nèi)外徑尺寸與波形彈簧內(nèi)外尺寸一致。其固定在下模成形面上，材料在上模凸起位置逐漸下壓成形，因而可將模具設(shè)定為剛體，以達(dá)到減少計算時間的目的。波形彈簧網(wǎng)格類型采用C3D8R 八結(jié)點線性六面體單元，減縮積分，尺寸為0.2 mm，元素總數(shù)為8 113。通過比對發(fā)現(xiàn)殼體計算和三維實體計算結(jié)果相差不大，因而本次仿真采用殼體輸入厚度以達(dá)到比對目的。

2.2.2 條件輸入

摩擦力符合庫倫摩擦定律，摩擦系數(shù)取0.2。接觸屬性采用罰函數(shù)摩擦模型，模具與圓坯采用“surfaceto-surface”模型。波形彈簧材料設(shè)為彈塑性材料，塑性變形服從Mises 屈服準(zhǔn)則，彈性模量符合楊氏模量，具體數(shù)值如圖2 所示。

2.2.3 基本假設(shè)

2.2.4 成形及卸料加載

選取下模，給予邊界約束六個自由度，設(shè)置圓形坯料與下模接觸并固定（需給予厚度間隙并保證大變形可行以確保計算能夠持續(xù)），設(shè)置摩擦系數(shù)0.2。上模給予Y向下壓，計算方法需采用動力-顯示仿真計算法，通過設(shè)定AMP（幅值）確定勻速5 m/min 下壓速度，計算至上下模間距為0.4 mm 板厚則停止，隨后靜置0.6 s后剛性上模上升回至初始位置，至此完成波形彈簧的成形和材料回彈仿真，如圖4 所示。

圖4 波形彈簧回彈示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 有限元模擬條件與評價指標(biāo)

采用卸載前、后板材的撓度值來描述回彈量。回彈量采用SB（Springback）評價

具體計算方法如圖5 所示[9-10]。

圖5 回彈計算示意圖

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

圖6 為液壓成形前后的等效應(yīng)力的比較圖。從圖6（a）中可以看出，彈簧的波峰和波谷處等效應(yīng)力最大，而峰谷過渡段則應(yīng)力最小。從圖6（b）中可以看出，卸載回彈后波峰邊沿位置應(yīng)力較大，主要在外沿位置，而波谷則在內(nèi)沿位置。

圖6 回彈前后的米塞斯應(yīng)力分布示意圖

此外同樣可以注意到，波形彈簧在受壓卸載前所展示的等效應(yīng)變主要集中在波簧的波峰和波谷的邊沿位置處，如圖7 所示。而受力卸載后，波簧的主要等效應(yīng)變位置幾乎不變，然而所受影響的區(qū)域面積有一定程度的下降。

圖7 波形彈簧卸載前后的等效應(yīng)變位置示意圖

3.3 回彈分析

圖8 是波簧成形卸載前后的總高度分析。由圖8 可知，卸料后彈簧因回彈效應(yīng)，相比成形加載預(yù)期為8 mm 高度，最終所能保持的高度僅約為8-3.67=4.33 mm。由此可知，Y向加載方向的回彈量為

圖8 波形彈簧成形向回彈位移比對

結(jié)合上文中計算等效應(yīng)變分布可知，峰谷過渡段區(qū)域在卸載后所表現(xiàn)出的回彈量相比波峰更大，而波峰波谷在回彈后依然保持了部分彎曲。造成這種現(xiàn)象的原因是：環(huán)件在受力過程中，不同位置所受彎曲不盡相同。位置彎曲程度越低，則所受的塑性形變越小，彈性變形則越大。因而最終結(jié)果是在壓力卸載后彈性區(qū)變形回彈，過程中彈性應(yīng)變能得以釋放。

4 板材厚度對回彈的影響

波形彈簧的回彈特性受到多因素綜合影響，在實際工程應(yīng)用中，板材厚度尺寸的選取常根據(jù)具體情況而定，因而它是成形控制中的一個重要的考慮因素。下文主要研究的內(nèi)容是超薄壁高溫合金鋼板，在保持板材內(nèi)外直徑不變的情況下，重點比對板材厚度對最終回彈量的影響。在相同液壓以及動力顯式仿真成形條件下，對板材材料選取比較其回彈值。

由當(dāng)前計算值可知，隨著板材厚度的增加，材料在卸載液壓后的回彈值也表現(xiàn)出較為明顯的增長趨勢（圖9）。值得注意的是采用增加材料寬度形式計算后發(fā)現(xiàn)，波形彈簧的回彈量變化量相對變化不大，僅表現(xiàn)出輕微的上升趨勢（圖10）。

圖9 厚度參數(shù)及回彈量分析圖

圖10 寬度參數(shù)及回彈量分析圖

厚度以及寬度的增加一定程度上促進(jìn)了截面方向或徑向彈性區(qū)域的擴(kuò)展，促使板材的總彈性變形成分區(qū)域在同樣液壓高度下在總變形區(qū)占比少量的增加，因此，卸載后板材因彈性變形引起的回彈量也隨之增加[11]。

5 結(jié)論

本文基于ABAQUS 動力顯示仿真有限元分析方法，對GH738 波形彈簧的成形以及卸載回彈進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

1）GH738 高溫合金，總高為8 mm，波數(shù)N=3 的波形彈簧采用基于原高度所設(shè)計的液壓模回彈量為2.165 mm。

2）本研究中，峰谷過渡段區(qū)域在卸載后所表現(xiàn)出的回彈量相比波峰更大，而波峰波谷在回彈后依然保持了部分彎曲，這是由于過渡段塑性變形區(qū)面積更小所致。

3）波簧的回彈量與板材厚度息息相關(guān)，隨著厚度的增加，成形過程中表現(xiàn)出了更大的回彈量，這是由于截面厚度增加導(dǎo)致了彈性區(qū)變大，從而引起了卸載過程中回彈增加。