劉奇，趙彬，高文磊

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

密封圈廣泛運(yùn)用于工程機(jī)械[1]、船舶[2]、化工[3]等各種氣液壓系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)的密封性運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。某船用大型矩形密封結(jié)構(gòu)采用的是D形密封圈(圖1)，依靠固定板與活動(dòng)臺(tái)壓縮D形密封圈進(jìn)行密封。而活動(dòng)臺(tái)由于功能要求需要頻繁地動(dòng)作，進(jìn)而造成了D形密封圈的磨損從而引發(fā)密封泄漏；同時(shí)該矩形密封結(jié)構(gòu)的密封接觸范圍為5m×0.8m，密封難度較大，在固定板承載變形后會(huì)進(jìn)一步地引發(fā)密封泄漏。為提升密封圈的耐用性和可靠性，設(shè)計(jì)了一種舌形結(jié)構(gòu)的密封圈(圖2)。為確定該舌形密封圈的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文利用分析軟件ABAQUS對(duì)舌形密封圈進(jìn)行建模和計(jì)算，分析了舌形密封圈主要參數(shù)對(duì)密封性能的影響，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖1 D形密封圈結(jié)構(gòu)

圖2 舌形密封圈結(jié)構(gòu)

1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)舌形密封圈的材料和結(jié)構(gòu)的軸向一致性，采用二維平面模型進(jìn)行密封性能的分析。同時(shí)對(duì)舌形密封圈的邊界條件進(jìn)行簡化，以提升計(jì)算模型的計(jì)算效率。簡化后的二維平面計(jì)算模型如圖3所示。舌形密封圈主要是由舌狀橡膠條與固定板的側(cè)板抵壓而進(jìn)行密封，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮厚度B、舌寬H、舌張角α參數(shù)。

圖3 二維平面計(jì)算模型

1.1 密封圈的本構(gòu)模型

舌形密封圈采用的是橡膠材料，其材料可以經(jīng)過大的變形而保持體積不變，也就是說可以被認(rèn)為是不可壓縮的材料。據(jù)此，可以選用Mooney-Rivlin模型來描述橡膠類物理非線性材料，其模型表達(dá)式為[4]

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度；C10與C01為材料Mooney-Rivlin系數(shù)；I1和I2分別為第一、第二應(yīng)變張量的不變量。本文的舌形密封圈材料為腈基丁二烯橡膠，C10與C01分別取1.87和0.47[5]。

1.2 有限元模型

舌形密封圈的有限元計(jì)算，是一個(gè)超彈性不可壓縮的非線性接觸問題。根據(jù)二維平面計(jì)算模型的特點(diǎn)，在有限元模型中作如下處理：

1) 固定板側(cè)板材料為普通碳素鋼，彈性模量E=210000MPa，泊松比μ=0.3；

2)為了便于求解，將固定板側(cè)板作剛體處理；

3)考慮固定板側(cè)板與舌形密封圈之間的摩擦，取摩擦系數(shù)為0.3；

4)設(shè)定初始邊界條件為舌形密封圈下端固定；分析采用側(cè)板下移接觸橡膠密封面；

5)網(wǎng)格單元采用帶減縮的一階平面應(yīng)變單元CPE4R。

劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖4所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)，仿真計(jì)算接觸應(yīng)力云圖(B=70mm，H=30mm，α=45°)如圖5所示。

圖4 有限元模型

圖5 接觸應(yīng)力云圖

2 舌形密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 密封性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)密封原理，實(shí)現(xiàn)可靠密封的充分必要條件是舌形密封圈與固定板側(cè)板接觸界面上的接觸應(yīng)力不小于被密封的壓力[6]，也就是說接觸面上的接觸應(yīng)力大小可以決定機(jī)構(gòu)密封性能的高低。采取接觸面上的最大接觸應(yīng)力作為評(píng)判舌形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

舌形密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮厚度B、舌寬H、舌張角α等因素。多因素分析時(shí)可考慮采取正交實(shí)驗(yàn)法，通過正交表對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較與整體分析，用較少的試驗(yàn)次數(shù)來獲得可靠性較高的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此來選出最優(yōu)化的參數(shù)組合。

根據(jù)舌形密封圈的實(shí)際結(jié)構(gòu)限制，用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了三因素、三水平的正交實(shí)驗(yàn)方案，采用L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.3 正交結(jié)果分析

通過正交試驗(yàn)表可以看出第9組試驗(yàn)選用的參數(shù)可以獲得較大的接觸應(yīng)力，其選用方案為B(75)H(40)α(45)組合。為更深入地確定3個(gè)參數(shù)對(duì)密封性能影響的主次順序，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步的優(yōu)化，選用極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其步驟如下[7]：

1) 計(jì)算任一因素列上相同水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和K1、K2、K3；

2) 計(jì)算極差，R=max(K1,K2,K3)-min(K1,K2,K3)；

3) 比較極差大小。極差值R越大，代表該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大。

根據(jù)極差法步驟，可得舌形密封圈的極差分析結(jié)果如表2所示。

表2 極差分析結(jié)果

2.4 最優(yōu)組合仿真驗(yàn)證

采取結(jié)構(gòu)參數(shù)厚度B為75mm，舌寬H為40mm，舌張角α為60°的參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。通過應(yīng)力云圖可知，最大接觸應(yīng)力達(dá)到了6.453MPa，明顯優(yōu)于其他試驗(yàn)組合，為舌形密封圈的最優(yōu)參數(shù)組合。

圖6 最優(yōu)組合接觸應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

1)利用有限元軟件ABAQUS完成了舌形密封圈的非線性分析，通過模擬仿真完成了對(duì)結(jié)構(gòu)密封性能的預(yù)測(cè)，避開了大量、重復(fù)的人工實(shí)驗(yàn)，提升了工作效率；

2)采取數(shù)值仿真技術(shù)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依靠人為經(jīng)驗(yàn)所帶來的不確定性；

3)運(yùn)用正交試驗(yàn)與極差分析法，通過較少的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了舌形密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響由大到小依次為：舌張角α、舌寬H、厚度B；舌形密封圈的最優(yōu)設(shè)計(jì)組合為：B(75)H(40)α(60)，并通過了模擬仿真的驗(yàn)證。