熊 路 劉 剛 李天勻 朱 翔

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

對(duì)機(jī)械密封裝置中的Ω型彈簧剛度與應(yīng)力的數(shù)值仿真分析

熊 路1劉 剛2李天勻1朱 翔1

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)新型的船體尾軸密封裝置中的Ω型彈簧進(jìn)行模擬和分析。對(duì)彈簧承受大應(yīng)力的部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，并描繪出彈簧的壓縮量－彈性力，以及壓縮量－最大等效（Mises）應(yīng)力的關(guān)系曲線。模型分別采用各圈單獨(dú)和整體兩種不同的建模方式進(jìn)行計(jì)算。兩種建模方式的結(jié)果較為吻合，證實(shí)了方法的可靠性。分析結(jié)果為機(jī)械密封裝置Ω型彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

有限元；壓縮量；模型

1 引言

一直以來(lái)，船舶的潤(rùn)滑艉軸承是以填料壓蓋密封函為主。但填料和艉軸套之間產(chǎn)生的摩擦和磨損卻一直是令人擔(dān)心的問(wèn)題。隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的發(fā)展，填料壓蓋密封函逐漸被機(jī)械密封裝置所取代，而機(jī)械密封裝置中決定密封性能的螺旋柱形彈簧現(xiàn)在也不能滿足一些復(fù)雜情況下的需要，如今已有被適應(yīng)能力更強(qiáng)的Ω型彈簧來(lái)取代的趨勢(shì)。在船體出現(xiàn)較復(fù)雜的附加振動(dòng)和位移時(shí)，Ω型彈簧可有較強(qiáng)的應(yīng)變能力和補(bǔ)償能力［1］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，Ω型彈簧 （又可稱(chēng)為 “鋼板彈簧”）的左端通過(guò)壓環(huán)和安裝底座連接在一起，而右端則與密封環(huán)托架和密封環(huán)連接在一起。在安裝過(guò)程中，首先給Ω型彈簧一個(gè)預(yù)壓量，在船體航行的時(shí)候，船體尾軸產(chǎn)生軸向沖擊躥動(dòng)時(shí)，Ω型彈簧能夠始終給動(dòng)環(huán)提供一個(gè)彈性力，使動(dòng)環(huán)和密封面之間保持足夠的比壓，能夠保持較低的泄漏量。如果密封面內(nèi)外壓力差通過(guò)Ω型彈簧不能達(dá)到平衡，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)環(huán)的位置達(dá)到平衡。

圖1 機(jī)械密封裝置中的Ω型彈簧

本文所研究的Ω型彈簧的結(jié)構(gòu)由2個(gè)不同半徑的Ω型彈簧組合而成，而且根據(jù)對(duì)補(bǔ)償能力要求的不同，可以自由決定組合彈簧的圈數(shù)。彈簧最外層又由上下2片彈簧組合焊接而成，上面一圈彈簧的2片之間在支腳處點(diǎn)焊在一起，而下面2片彈簧用來(lái)補(bǔ)償上面2片彈簧之間的縫隙，把2支腳端和頂部與上面2片彈簧焊接在一起形成一個(gè)整體?？梢钥闯?，當(dāng)兩端面被逐漸壓緊時(shí)，這種彈簧結(jié)構(gòu)上下兩層之間是逐漸進(jìn)入接觸狀態(tài)的。在實(shí)際工作中，鋼板彈簧產(chǎn)生大變形，屬于幾何非線性問(wèn)題；同時(shí)各片之間存在復(fù)雜的接觸情況，且接觸狀態(tài)與各片彈簧的幾何形狀、載荷等多種因素相關(guān)，是一個(gè)非線性接觸響應(yīng)問(wèn)題［2，3］。

正是由于這種Ω型彈簧結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)這種彈簧結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析研究較少，但是這種分析卻是非常必要的。當(dāng)彈簧進(jìn)入較大的壓縮量后，特別是各圈的上下2層進(jìn)入接觸狀態(tài)后，彈簧的頂部將承受較大的應(yīng)力，這時(shí)應(yīng)用仿真計(jì)算來(lái)進(jìn)行應(yīng)力校核是非常必要的，能夠避免由于壓縮量過(guò)大導(dǎo)致彈簧的失效或疲勞斷裂現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)也方便進(jìn)行彈簧尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 彈簧的有限元建模

采用商用有限元軟件ANSYS對(duì)彈簧進(jìn)行有限元分析。根據(jù)實(shí)際情況，采用殼體單元進(jìn)行建模，外圈由上下2片彈簧組成。鑒于模型的完全軸向?qū)ΨQ(chēng)性質(zhì)，故先將外圈模型取其組件的三分之一建模（圖2），而內(nèi)圈則采用整圈建模（圖3）。

圖2 彈簧外圈有限元模型（1／3圈）

圖3 內(nèi)圈有限元模型

模型使用8節(jié)點(diǎn)的shell單元來(lái)模擬彈簧片，厚度0.4mm。接觸對(duì)則用ANSYS軟件中的Conta170和Conta174來(lái)模擬其柔對(duì)柔面的接觸。定義上層彈簧為目標(biāo)面，下層彈簧作為接觸面，并注意每個(gè)接觸對(duì)都定義唯一的實(shí)常數(shù)。本計(jì)算對(duì)于每層的上下2片彈簧有左右2個(gè)面—面接觸對(duì)，因此每個(gè)單位模型結(jié)構(gòu)有4個(gè)面—面接觸對(duì)。接觸方式采用標(biāo)準(zhǔn)式接觸，即法向單面接觸。接觸算法采用廣義拉格朗日算法。在有限元求解器中，將靜態(tài)大變形分析打開(kāi)，自動(dòng)時(shí)間步設(shè)為ON，自動(dòng)線性搜索也設(shè)為ON，以便加速收斂［4］。內(nèi)圈為單片式結(jié)構(gòu)，固不存在接觸問(wèn)題，直接采用考慮大變形效應(yīng)的靜力求解。

由于兩層彈簧之間的面面接觸情況非常復(fù)雜，如果采用設(shè)定接觸單元來(lái)計(jì)算的話，工程量會(huì)過(guò)于龐大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，采用一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，即不是直接加力，而是給各層彈簧加上一個(gè)壓縮量，通過(guò)計(jì)算來(lái)分析它們各自的彈性力及應(yīng)力狀態(tài)。

具體做法是，根據(jù)裝配示意圖（圖4），兩端的約束面作為剛體考慮，彈簧左端A、B段的弧面上采用剛性固定，限制其所有自由度。而C、D段弧上所有節(jié)點(diǎn)則約束其周向 （即Z方向）上的自由度，并且施加軸向（即X方向）的位移，施加最大軸向位移－30mm。邊界條件如圖4所示，計(jì)算時(shí)考慮大變形效應(yīng)。

圖4 簡(jiǎn)易邊界示意圖

在有限元法中，單元與單元之間通常是通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞力的。但是，在外圈和內(nèi)圈的彈簧上下兩片之間，是從分離到接觸，因此，在兩片之間建立接觸單元，來(lái)模擬兩片之間的作用力。所選用的是面—面接觸單元conta174，它能夠比較精確地進(jìn)行面—面之間的模擬。接觸方式采用標(biāo)準(zhǔn)接觸，由軟件自行判定是否進(jìn)入接觸狀態(tài)。在有限元計(jì)算中，接觸屬于狀態(tài)非線性行為，計(jì)算時(shí)需要耗費(fèi)大量的資源。ANSYS可以利用接觸單元自動(dòng)跟蹤接觸位置，保證接觸協(xié)調(diào)性以防止接觸表面的相互穿透，而且還在接觸表面之間實(shí)現(xiàn)傳遞接觸應(yīng)力［5-7］。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 單獨(dú)計(jì)算內(nèi)外彈簧的計(jì)算結(jié)果

內(nèi)圈彈簧在不同壓縮量的情況下的彈性支反力以及應(yīng)力狀態(tài)，如表1、圖5、圖6所示。

外圈彈簧在不同壓縮量的情況下的彈性支反力以及應(yīng)力狀態(tài)，如表2、圖7、圖8所示。

從上述結(jié)果可以看出：

1）內(nèi)圈的最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂部，其最大值為203MPa。

2）外圈的最大應(yīng)力則出現(xiàn)在彈簧側(cè)部，其最大值為192Mpa。而頂部的最大應(yīng)力則稍小，最大值為176 MPa。

表1 內(nèi)圈彈簧在不同壓縮量下的計(jì)算結(jié)果

圖5 壓縮量—彈性力關(guān)系曲線（內(nèi)圈）

圖6 壓縮量—頂部最大應(yīng)力曲線（內(nèi)圈）

表2 外圈彈簧在不同壓縮量下的計(jì)算結(jié)果

圖7 壓縮量—彈性力關(guān)系曲線（外圈）

圖8 壓縮量—側(cè)部最大應(yīng)力關(guān)系曲線（外圈）

根據(jù)提供的材料參數(shù)，2圈彈簧的最大應(yīng)力均在材料的比例極限之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 兩層整體模型的計(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證建模的準(zhǔn)確性，將單圈模型與整體模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。模型建立方式仍然同前，但是這次同時(shí)將兩層彈簧的凹弧段（即類(lèi)似外圈彈簧的C，D弧段）建立耦合約束，耦合其水平方向的自由度。其它施加約束的方法仍和前面一樣。

內(nèi)外圈彈簧在兩種不同建模方式下的最大應(yīng)力結(jié)果比較，見(jiàn)表3。

表3 內(nèi)圈彈簧在2種不同建模方式下的最大Mises應(yīng)力結(jié)果比較

內(nèi)外圈彈簧在兩種不同建模方式下的最大軸向力總和比較，見(jiàn)表4。

表4 整體模型彈性力與各單圈模型彈性力之和結(jié)果比較

從整體結(jié)果與單圈計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可以看出，二者的差別比較小，滿足工程的使用要求。

4 結(jié)論

本文用ANSYS軟件對(duì)船體尾軸密封裝置中的Ω型彈簧進(jìn)行模擬和分析。對(duì)彈簧承受大應(yīng)力的部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，并采取2種不同方式建模及比較。文中所采用的有限元建模，分析方法對(duì)于一般結(jié)構(gòu)的Ω型彈簧在壓縮過(guò)程中所產(chǎn)生的彈性力及應(yīng)力特征是較為準(zhǔn)確的，能夠滿足工程要求，可以為以后Ω型彈簧結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化提供理論支持。各單圈模型的計(jì)算結(jié)果是可以作為整體模型結(jié)果的參考，可以省卻整體建模的繁瑣并加快計(jì)算的效率和時(shí)間。

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Num erical Sim ulation of Stiffness and Stress on aΩShaped Spring in Sealed Apparatus

Xiong Lu1 Liu Gang2 Li Tian－yun1 Zhu Xing1
1 College of N aval Architecture&Ocean Engineering Huazhong Univ.of Sciand Tech，Wuhan 430074， China
2 China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

In this paper， FEM software ANSYSwas used to analyze and simulate theΩ spring in a new stern shaft sealed apparatus.The high stress region of the spring wa s checked.The relations of the compression vs resistance and compression vs maximum stress were plotted respectively.Two models were considered in the computation.One wa s to analyze each single ring of the spring and the other wa s to analyze the spring as a whole.The twomodels agree d with each other， thus show ing the reliability of the modeling technique.The computing results c an be consulted during the optimal design of such Ω spring in the sealed apparatus.

FEA；compression；model

TH135

A

1673－3185（2010）01－64－04

2009-04-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（1010501020402）

熊 路（1981－），男，博士研究生。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制。E-mail：Anubis-xl@163.com

李天勻（1969－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制等。E-mail：ltyz801@tom.com