黃其殷，白旭東，李妙婷

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

由于發(fā)動機工作條件十分惡劣，在其工作條件下應(yīng)滿足密封無泄漏、結(jié)構(gòu)可靠、質(zhì)量小、拆卸方便、制造成本低、互換性好及多次使用的要求[1]。軟金屬密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高壓補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機的高壓氣路和高壓液路接頭，其密封可靠性是確保發(fā)動機正常工作的重要基礎(chǔ)之一。較以往發(fā)動機球面密封結(jié)構(gòu)，軟金屬密封結(jié)構(gòu)通過采用不同材料的密封墊，適用于-190℃低溫液氧、常溫燃料及500℃高溫燃氣等工作環(huán)境，在使用中表現(xiàn)出良好操作性、密封性及抗震性。

國內(nèi)外學(xué)者通過商業(yè)有限元軟件ABAQUS和ANSYS對航天器氧系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)管路密封結(jié)構(gòu)密封性能進行了仿真分析[2-4]。針對軟金屬密封結(jié)構(gòu)，將通過有限元軟件NASTRAN隱式非線性模塊，建立起軟金屬密封結(jié)構(gòu)接觸和材料彈塑性有限元模型，并對其密封機理和密封性能進行仿真分析。

1 密封結(jié)構(gòu)組成

軟金屬密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括凹臺階接頭、軟金屬密封墊、凸臺階接頭及外套螺母4個零件，在凹臺階接頭和凸臺階接頭密封面上開有V型密封槽。

常用的球面密封結(jié)構(gòu)如圖2所示，由凹球面接頭、外套螺母及凸球面接頭組成。

圖1 軟金屬密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of soft metal seal

圖2 球面密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of spherical seal

與球面密封相比，在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)軟金屬密封具有以下優(yōu)點：

1）使用溫度范圍廣，可在-182℃液氧溫度，500℃富氧燃氣環(huán)境下正常工作；

2）管路通徑應(yīng)用范圍廣，從4 mm小通徑管路到32 mm通徑管路均可保證可靠密封；

3） 重復(fù)使用性強，軟金屬強度遠小于接頭強度，不會損傷接頭密封面，因此每次拆裝只需更換密封墊即可多次重復(fù)使用；

4）良好的加工性，軟金屬密封結(jié)構(gòu)中，凸、凹臺階接頭的配合面較長，在裝配時起導(dǎo)向作用，可防止因裝配偏差造成密封墊受力不均而影響密封性能，不需要特殊精加工；

5） 良好的抗震性，密封墊塑性變形后，填充導(dǎo)向配合間隙，使凸、凹臺階接頭配合非常緊密，整個密封具有良好的抗震放松能力。

2 數(shù)值模型與計算方法

凹臺階接頭、凸臺階接頭及外套螺母材料為高強不銹鋼，彈性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3，σ0.2=980 MPa；軟金屬密封墊為經(jīng)退火處理的工業(yè)純鋁L4，彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.27，屈服應(yīng)力小于50 MPa。由于不銹鋼屈服強度遠大于純鋁屈服強度，因此，在計算中不銹鋼材料使用彈性本構(gòu)模型，L4材料特性采用彈塑性本構(gòu)模型，接觸計算采用單面接觸模型[5-6]。

三維彈塑性接觸問題控制方程為：

平衡方程

幾何方程

彈塑性本構(gòu)模型

Von Mises屈服準則

Von Mises流動準則

Von Mises硬化準則

單邊接觸準則

力邊界條件

位移邊界條件

由于軟金屬密封結(jié)構(gòu)具有對稱性，而且承受對稱載荷，因此取其四分之一采用8節(jié)點6面體單元對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分。

按公式（10）計算鋁密封墊所需軸向壓緊力[7]

式中：DG為密封接觸面的平均直徑；p為工作狀態(tài)管道內(nèi)介質(zhì)壓力，本文取p=45 MPa；b為有效密封寬度；m為墊片系數(shù)，對于鋁墊片m=4。計算得到螺紋所需軸向壓緊力為14 711 N。

定義兩個計算步：

1）預(yù)緊過程 軸向壓緊力Wp增加過程；

2）工作過程 軸向壓緊力Wp保持不變，管路內(nèi)壓力p增加過程。

3 仿真結(jié)果及密封機理分析

3.1 仿真結(jié)果分析

從圖3可以看到，結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大到875 MPa，表現(xiàn)為局部集中應(yīng)力，實際應(yīng)用中并不存在，不會對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。

圖3 工作狀態(tài)應(yīng)力云圖Fig.3 Stress distribution of sealing structure under working state

變形局部放大云圖如圖4所示，密封墊已楔入凹臺階接頭和凸臺階接頭V形密封槽內(nèi)，達到結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)期。

密封墊變形云圖如圖5和圖6所示，預(yù)緊狀態(tài)密封墊壓縮量約0.09 mm，楔入密封槽約0.205 mm；工作狀態(tài)密封墊壓縮量約0.08 mm，楔入密封槽約0.22 mm。工作狀態(tài)與預(yù)緊狀態(tài)相比，密封面回彈大約0.01 mm。

圖4 局部變形云圖Fig.4 Distribution of local deformation

圖5 預(yù)緊狀態(tài)密封墊變形云圖Fig.5 Sealing gasket deformation under pre-impacted state

圖6 工作狀態(tài)密封墊變形云圖Fig.6 Sealing gasket deformation under working state

密封墊接觸應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示，預(yù)緊狀態(tài)接觸應(yīng)力大于400 MPa，工作狀態(tài)接觸應(yīng)力大于300 MPa，分布均勻。

管路內(nèi)壓45 MPa時，鋁墊所需實際工作密封比壓[7]

qs=mpc=4×45=180 MPa

工作狀態(tài)密封安全系數(shù)

在45 MPa工作壓力下，密封安全系數(shù)大于1.67，能夠提供足夠的密封比壓，保證可靠密封。

圖7 預(yù)緊狀態(tài)密封墊軸向接觸應(yīng)力云圖Fig.7 Axial contact stress of sealing gasket under pre-impected state

圖8 工作狀態(tài)密封墊軸向接觸應(yīng)力云圖Fig.8 Axial contact stress of sealing gasket under working state

3.2 密封機理分析

密封面上，應(yīng)力-加載曲線如圖9所示，接觸應(yīng)力-加載曲線如圖10所示。

從圖9可以發(fā)現(xiàn)，密封墊應(yīng)力約30 MPa時，密封墊開始進入塑性階段，并維持一段時間的蠕變，出現(xiàn)第一個應(yīng)力平臺，隨后應(yīng)力迅速增加，進入硬化狀態(tài)；密封墊應(yīng)力約45 MPa時，由于密封槽內(nèi)的材料開始進入蠕變狀態(tài)，并填充臺階接頭上的密封槽，因此密封面上出現(xiàn)第二個應(yīng)力平臺，隨著載荷的增加密封槽逐漸被填充滿，應(yīng)力隨后迅速增加，結(jié)構(gòu)第二次進入硬化階段。在工作過程中，隨著管路內(nèi)壓增加，逐漸平衡部分軸向預(yù)緊力，使密封墊的應(yīng)力逐漸下降。

從圖10可以看到，在預(yù)緊過程，接觸應(yīng)力隨加載歷程增加而增加，接觸應(yīng)力在170 MPa附近，由于密封墊進入塑性階段，導(dǎo)致數(shù)值計算振蕩所致。在工作過程中，開始施加管路內(nèi)壓，結(jié)構(gòu)應(yīng)力單向加載平衡被打破，凹臺階接頭和凸臺階接頭開始卸載，導(dǎo)致計算振蕩，隨著管路內(nèi)壓的逐步提高，接觸壓力緩慢降低。

圖9 應(yīng)力－加載歷程曲線Fig.9 Stress versus loading process

圖10 接觸應(yīng)力－加載過程曲線Fig.10 Contact stress versus loading process

從以上計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，軟金屬密封結(jié)構(gòu)的密封機理為：隨著螺紋提供軸向壓緊力增大，軟金屬密封墊被壓縮，逐步填滿凸臺階接頭、凹臺階接頭密封面上微小凸凹不平，并發(fā)生大范圍彈塑性變形，鍥入接頭V型密封槽中，最終使介質(zhì)通過密封面的阻力大于密封面兩側(cè)的壓差完成密封。

4 結(jié)論

1） 軟金屬密封結(jié)構(gòu)的密封機理：隨著螺紋提供軸向壓緊力增大，軟金屬密封墊被壓縮，逐步填滿凸臺階接頭、凹臺階接頭密封面上微小凸凹不平，并發(fā)生大范圍彈塑性變形，鍥入接頭V型密封槽中，最終使介質(zhì)通過密封面的阻力大于密封面兩側(cè)的壓差完成密封。

2） 軟金屬密封結(jié)構(gòu)具有使用溫度范圍廣，從液氧-190℃到富氧燃氣500℃，工作時間長，具有良好的加工性和抗震性能。

3） 軟金屬密封結(jié)構(gòu)在管路內(nèi)壓45 MPa下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為875 MPa，密封墊變形受壓變形后楔入密封槽內(nèi)，密封墊接觸應(yīng)力分布均勻，且大于300 MPa，密封安全系數(shù)大于1.67。

[1]張貴田.高壓補燃液氧煤油發(fā)動機[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[2]PHILLIPS Dawnr R,WINGATA Robert J.Seal analysis for the ares-I upper stage fuel tank manhole covers,AIAA 2010-2783[R].USA:AIAA,2010.

[3]王建武,劉軍生,陳少斌.球面型管路連接件密封性能分析及力學(xué)性能測試[J].火箭推進,2010,36(6):36-41.

[4]PHILLIPS Dawnr R,WINGATA Robert J.Seal joint analysis and design for the ares-I upper stage LOX tank,AIAA 2011-1721[R].USA:AIAA,2011.

[5]張洪武.參變變分原理與材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 [M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[6]陳紅火.Marc有限元分析教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[7]王文斌.機械設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.