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        基于有限元的O形橡膠密封圈裝配過程參數(shù)影響分析

        2018-01-24 15:06:43李記威曹軍偉王國銳張澤遠(yuǎn)
        航空兵器 2017年6期
        關(guān)鍵詞:裝配有限元

        李記威+曹軍偉+王國銳+張澤遠(yuǎn)

        摘 要: 利用有限元軟件對(duì)某固體發(fā)動(dòng)機(jī)O形橡膠密封圈裝配過程進(jìn)行仿真分析。 研究了裝配過程中密封圈材料參數(shù)、 密封圈與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體摩擦系數(shù)、 軸向裝配速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封圈剪應(yīng)力的影響。 結(jié)果表明, 材料參數(shù)、 摩擦系數(shù)以及裝配速度是影響密封圈最大剪應(yīng)力的主要因素。

        關(guān)鍵詞: 固體發(fā)動(dòng)機(jī); O形橡膠密封圈; 裝配; 有限元; 超彈性

        中圖分類號(hào): V435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1673-5048(2017)06-0072-05[SQ0]

        0 引 言

        空空導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜[1], 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中燃燒室承受高溫、 高壓燃?xì)猓?因此密封結(jié)構(gòu)的可靠性是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 燃燒室零件之間的密封一般采用O形橡膠密封圈, 密封圈能否可靠工作直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)成敗。 發(fā)動(dòng)機(jī)密封在設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、 使用等環(huán)節(jié)均需要重點(diǎn)關(guān)注。 特別是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的裝配質(zhì)量, 是決定密封結(jié)構(gòu)是否可靠的關(guān)鍵一環(huán)。 但密封圈在裝配過程中難以觀察, 密封圈是否會(huì)發(fā)生剪切破壞不容易被發(fā)現(xiàn), 因此通過對(duì)裝配過程仿真, 從而在理論上獲得各參數(shù)對(duì)裝配的影響規(guī)律, 最大程度避免密封圈在生產(chǎn)過程中受剪切破壞。

        國內(nèi)針對(duì)O形橡膠密封圈的密封性能研究較多[2-14]。 陸婷婷等[2]對(duì)O形橡膠密封圈的截面直徑、 間隙張開量、 間隙張開時(shí)間、 壓縮率和壓力對(duì)密封圈密封性能的影響進(jìn)行了仿真分析。 閆平義等[9]設(shè)計(jì)了橡膠回彈性測試儀, 對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用氟橡膠圈密封材料回彈特性進(jìn)行了研究。 陳汝訓(xùn)[13]對(duì)提高密封結(jié)構(gòu)可靠性提出了有益的建議。

        國內(nèi)研究主要集中在密封圈使用過程, 對(duì)密封圈裝配過程研究較少。 本文對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭裝配過程進(jìn)行了有限元仿真, 對(duì)裝配過程影響密封圈受剪切的幾種因素進(jìn)行梳理和參數(shù)影響分析, 得到了主要影響參數(shù), 結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)具有一定的參考意義。

        1 仿真分析

        1.1 假設(shè)條件及模型參數(shù)

        發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈裝配過程仿真模擬, 假設(shè):

        (1) 發(fā)動(dòng)機(jī)各金屬組成設(shè)為剛體;

        (2) 橡膠材料各向同性, 且近似不可壓縮;

        (3) 考慮幾何非線性效應(yīng);

        (4) 前封頭裝配過程與燃燒室筒體(以下簡稱筒體)完全對(duì)中。

        有限元軟件用應(yīng)變勢能來表達(dá)超彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系, 有多種不同的應(yīng)變勢能模型。 此外, 有限元軟件可直接輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù), 包括:

        (1) 單軸拉伸和壓縮;

        (2) 等雙軸拉伸和壓縮;

        (3) 平面拉伸和壓縮;

        (4) 體積拉伸和壓縮。

        由于單軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)容易得到, 且應(yīng)用最為廣泛, 本文采用單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭與筒體密封結(jié)構(gòu)件如圖1~2所示。 圖1為裝配前結(jié)構(gòu)位置, 圖2為裝配后結(jié)構(gòu)位置。

        模型橡膠密封圈參數(shù)中, 泊松比取0.499 99, 單軸拉伸數(shù)據(jù)如圖3所示。 裝配速度0.5 mm/s, 不計(jì)密封圈與筒體和前封頭之間的摩擦。

        1.2 裝配過程分析

        裝配過程中, 密封圈在封頭密封槽里, 封頭沿軸向朝著筒體內(nèi)部方向平行推進(jìn), 進(jìn)入密封面倒角時(shí), 密封圈被壓縮變形, 當(dāng)密封圈完全進(jìn)入密封面后, 封頭繼續(xù)沿原方向移動(dòng), 直至達(dá)到安裝。

        密封圈進(jìn)入密封面的整個(gè)過程如圖4~7所示。 由圖可知, 密封圈通過筒體倒角時(shí), 首先與封頭的尖角a和筒體的尖角b接觸, 此時(shí)由于密封圈變形較小, 未產(chǎn)生較大剪應(yīng)力, 如圖4所示。 在通過筒體尖角c時(shí), 產(chǎn)生最大剪應(yīng)力, 此時(shí)密封圈容易受剪切破壞, 達(dá)到最大剪應(yīng)力, 如圖5~6所示。 當(dāng)密封圈全部進(jìn)入筒體密封面后, 密封圈剪應(yīng)力由外到內(nèi)層層均勻增大, 如圖7所示。

        2 參數(shù)影響分析

        密封圈裝配過程影響因素較多, 通過辨識(shí), 對(duì)O形橡膠密封圈材料參數(shù)、 結(jié)構(gòu)參數(shù)、 摩擦系數(shù)和裝配滑動(dòng)速度進(jìn)行參數(shù)化仿真分析, 得到了各參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈裝配過程影響程度結(jié)果。 為方便模型間對(duì)比分析, 所有計(jì)算結(jié)果均為密封圈上最大剪應(yīng)力位置點(diǎn)隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)。

        2.1 橡膠材料參數(shù)

        實(shí)際生產(chǎn)過程中, O形橡膠密封圈材料拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均有不同程度差異。 表觀上, 橡膠材料拉伸數(shù)據(jù)中同樣應(yīng)變條件下應(yīng)力越大, 則材料硬度越高。 為研究拉伸曲線對(duì)密封圈裝配過程影響, 對(duì)三種材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了仿真對(duì)比, 應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示, 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同。

        橡膠硬度與材料拉伸曲線具有相關(guān)性, 相對(duì)來說橡膠材料A表現(xiàn)高硬度、 橡膠材料B中硬度、 橡膠材料C低硬度。

        圖9所示為三種材料的剪應(yīng)力-時(shí)間變化曲線。 從圖9可以看出, 材料A最大剪應(yīng)力高于材料B達(dá)2倍以上, 材料C也高于材料B, 因此材料力學(xué)性能曲線對(duì)裝配過程具有較大影響。 此外, 當(dāng)密封圈裝入密封面后, 殘余剪應(yīng)力也與材料力學(xué)曲線相關(guān)。 表現(xiàn)為材料A最大, 材料B最小, 材料C略大于材料B。 而殘余應(yīng)力對(duì)橡膠老化具有較大影響[13], 因此, 為避免裝配過程中過高剪應(yīng)力以及橡膠材料過快老化, 應(yīng)選擇應(yīng)力-應(yīng)變曲線適中的橡膠。

        2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

        由圖4~5和圖9可知, 密封圈在筒體尖角c位置產(chǎn)生最大剪應(yīng)力, 因此對(duì)該尖角設(shè)計(jì)過渡圓弧并進(jìn)行仿真計(jì)算, 結(jié)果如圖10所示, 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同。 由圖10可知, 過渡圓弧對(duì)降低剪應(yīng)力峰值有一定作用, 同時(shí), 尖角c加過渡圓弧后, 剪應(yīng)力上升更為平滑, 有利于密封圈滑入密封面, 建議尖角c增加過渡圓弧。

        2.3 摩擦系數(shù)

        密封圈裝配過程中有一定的滑動(dòng)距離, 特別在滑入密封面時(shí), 密封圈與筒體的摩擦可能對(duì)剪應(yīng)力最值產(chǎn)生影響。 因此, 對(duì)模型在不同摩擦系數(shù)下進(jìn)行了仿真分析, 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同, 結(jié)果如圖11所示。 隨著摩擦系數(shù)的增大, 剪應(yīng)力極值出現(xiàn)在時(shí)間上逐漸后移, 且最大值隨著摩擦系數(shù)增大逐漸上升。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是密封圈與筒體摩擦越嚴(yán)重, 越不利于密封圈滑入密封面, 最大剪應(yīng)力在時(shí)間上表現(xiàn)滯后。 此外, 隨著摩擦系數(shù)的增加, 最大剪應(yīng)力顯著上升, 表明摩擦系數(shù)是裝配過程的主要影響因素。

        為避免摩擦系數(shù)增加引起剪應(yīng)力上升, 在密封圈安裝前應(yīng)均勻涂抹潤滑脂或采取其他潤滑措施, 降低安裝過程剪切風(fēng)險(xiǎn)。

        2.4 裝配速度

        密封圈裝配速度是又一種影響剪應(yīng)力的參數(shù)。 對(duì)三種裝配速度進(jìn)行仿真分析, 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同, 結(jié)果如圖12所示。 結(jié)果表明, 裝配速度越快, 密封圈到達(dá)尖角c時(shí)的最大剪應(yīng)力上升越快, 峰值越大, 且速度到達(dá)一定時(shí), 與尖角b接觸時(shí)剪應(yīng)力極值急劇上升, 量級(jí)接近與尖角c接觸時(shí)的剪應(yīng)力極值。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是密封圈在裝配過程中需要擠壓變形, 當(dāng)擠壓過快時(shí), 密封圈來不及滑入密封面, 擠壓變形很大, 剪應(yīng)力快速上升, 這不利于對(duì)密封圈的保護(hù)。 因此, 密封圈擠入密封面時(shí), 應(yīng)盡量降低進(jìn)給量, 避免剪切密封圈。

        3 結(jié) 論

        (1) 在滿足密封需要的情況下, 密封圈硬度太高或太低對(duì)裝配均不利, 且橡膠材料參數(shù)是密封圈殘余剪應(yīng)力的決定性因素。

        (2) 筒體密封面的尖角c應(yīng)加工過渡圓弧, 該措施可降低密封圈最大剪應(yīng)力峰值, 且使剪應(yīng)力上升過程圓滑。 計(jì)算顯示, 圓弧越大, 最大剪應(yīng)力越小。

        (3) 密封圈和筒體的摩擦系數(shù)對(duì)裝配過程最大剪應(yīng)力影響較大, 安裝過程中應(yīng)在密封圈外部均勻涂抹潤滑脂或采取其他潤滑措施, 以降低密封圈剪切的風(fēng)險(xiǎn)。

        (4) 密封圈的軸向裝配速度對(duì)密封圈擠入密封面過程影響同樣較大, 速度越小, 剪應(yīng)力上升越慢, 速度越大, 剪應(yīng)力上升越快。 因此密封圈裝配時(shí), 應(yīng)盡量降低裝配速度。

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        Parameter Analysis of Assembling Rubber O Ring Based on Finite Element

        Li Jiwei, Cao Junwei, Wang Guorui, Zhang Zeyuan

        (China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

        Abstract: The assembling rubber O ring of a solid motor is simulated by using finite element software. The influence of the rubber material parameter, the friction coefficient between O ring and motor case, the axial velocity of assembling and the configuration parameter on the shear stress of the O ring are studied. As a result, the main factor on the maximum shear stress of the O ring is rubber material parameter, friction coefficient and the axial velocity of assembling.

        Key words: solid motor; rubber O ring; assembling; finite element; hyper-elasticity

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