冷獻(xiàn)春，劉攀

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

某機(jī)載天線在其任務(wù)剖面內(nèi)需要經(jīng)歷多種氣候環(huán)境和機(jī)械環(huán)境因素的綜合作用。天線的射頻前端部分和天線轉(zhuǎn)臺(tái)的齒輪機(jī)構(gòu)必須采用透波天線罩進(jìn)行防護(hù)，以隔離外界大氣的濕氣、淋雨和砂塵，從而提高天線整機(jī)的可靠性。為提高天線罩的維修性，天線罩與安裝基座的密封一般采用O型密封圈，O型密封圈的密封應(yīng)使天線罩在工作剖面下具有良好的氣密性，即內(nèi)外氣體不發(fā)生置換，外部水汽和砂塵等有害物質(zhì)不進(jìn)入天線罩內(nèi)。O型橡膠密封圈具有自密封的特性，理論上，只要存在初始?jí)毫Γ湍軐?shí)現(xiàn)無泄漏密封，并且O型密封圈不需要較大的負(fù)載力便可以實(shí)現(xiàn)零泄漏密封[1]。但是，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，密封結(jié)構(gòu)受到內(nèi)外氣壓、溫度以及振動(dòng)、沖擊等影響，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，超出了可靠密封的有效范圍，O型密封圈的密封就可能發(fā)生失效，密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生呼吸效應(yīng)[2]，使潮氣進(jìn)入進(jìn)而影響天線的正常工作。天線罩的密封設(shè)計(jì)一般基于已有工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合O型密封圈的壓縮率要求來確定密封凹槽尺寸，這種設(shè)計(jì)思路只考慮天線罩在單一工況（如地面）環(huán)境下的密封能力，無法預(yù)計(jì)多工況多因素作用下，密封結(jié)構(gòu)的變化和密封可靠性的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，能幫助設(shè)計(jì)人員了解密封結(jié)構(gòu)受外載荷影響的密封可靠性及變化趨勢(shì)。如何新文等人對(duì)電子模塊屏蔽盒采用橡膠墊片密封時(shí)，利用Ansys分析了橡膠墊變形和對(duì)密封性能的影響[3]。本文結(jié)合天線罩的O型密封圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合考慮多工況下影響天線罩密封結(jié)構(gòu)的環(huán)境因素，運(yùn)用Anasys workbench對(duì)O型密封圈密封結(jié)構(gòu)的系列離散化參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析。

1 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某天線的天線罩外形如圖1所示。天線罩整體外形形似圓柱加半球的組合體，外形尺寸為Φ335 mm×236 mm，天線罩底部外緣設(shè)計(jì)直徑為Φ370 mm的法蘭盤，用于設(shè)置法蘭盤安裝孔并與安裝座接觸，通過O型密封圈實(shí)現(xiàn)密封。O型密封圈設(shè)置在安裝螺釘內(nèi)側(cè)，通過法蘭盤安裝座的凹槽限位，使O型密封圈在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)變形。天線罩主體采用玻璃鋼覆制，天線罩法蘭盤及法蘭盤安裝座采用鋁合金加工。天線罩安裝螺釘繞圓周平均分布，以使法蘭盤承載后變形均勻。

圖1 天線罩外形示意圖

2 O型密封圈選型和凹槽結(jié)構(gòu)

O型橡膠密封圈是一種截面為圓形的橡膠密封圈。由于O型橡膠密封圈需要的壓縮力小，在機(jī)載電子設(shè)備的薄殼密封結(jié)構(gòu)（蓋板、波導(dǎo)、液冷接頭等）上普遍采用。橡膠是一種在外力作用下能發(fā)生較大的形變，當(dāng)外力解除后，又能迅速恢復(fù)其原形狀的高分子彈性體，在外力作用下，彈性形變可高達(dá)500 %以上。按照用途和來源，橡膠材料可分為天然橡膠（NR）、合成橡膠和熱塑性彈性體（TPE）等。結(jié)合軍用設(shè)備的環(huán)境特點(diǎn)，用于機(jī)載天線罩O型密封圈的橡膠材料一般選用硅橡膠（VMQ）。硅橡膠的耐熱性和耐寒性能優(yōu)異，能在-60～200 ℃的溫度范圍內(nèi)長期使用而保持橡膠的彈性。硅橡膠具有優(yōu)秀的耐油性和耐磨性，同時(shí)具有耐臭氧性能優(yōu)秀，適應(yīng)機(jī)載高空的臭氧環(huán)境，其邵氏硬度一般在30～70之間。

天線罩的密封圈安裝采用如圖2所示的平板加U型凹槽的形式，密封圈在受壓時(shí)產(chǎn)生壓縮變形，密封圈依靠橡膠材料自身的彈性與接觸面接觸密封，如果密封截面存在氣壓差，密封圈槽一側(cè)偏移，側(cè)向壓力的作用使密封接觸壓力進(jìn)一步增大。密封圈壓縮率W通常用式（1）表示：

圖2 橡膠密封圈安裝示意

式中：

d0—O型密封圈在自由狀態(tài)下的截面直徑；

h—O型密封圈壓縮后的截面高度。

在選取O型密封圈的壓縮率時(shí)，需要使壓縮后密封接觸面積盡量大，但壓縮率過大使密封圈蠕變發(fā)生永久變形。工程中通常將壓縮率設(shè)置在20～30 %之間。結(jié)合安裝空間和法蘭盤尺寸，O型密封圈選用截面直徑d0為3 mm，壓縮后截面高度h設(shè)計(jì)值為2.2 mm。

3 密封性能影響因素分析

為確保橡膠密封圈在設(shè)備全任務(wù)剖面內(nèi)的密封可靠性，通過Anasys workbench有限元分析軟件模擬密封圈在特定密封結(jié)構(gòu)下的密封行為，考慮氣壓、溫度等氣候環(huán)境和振動(dòng)、沖擊等機(jī)械環(huán)境的綜合影響，進(jìn)而確定密封結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。

3.1 天線罩內(nèi)外壓差的確定

由于天線罩內(nèi)部空間的密封隔離，受內(nèi)外溫差和高空低氣壓的影響，天線罩內(nèi)外必然產(chǎn)生氣壓差。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[4]：

式中：

p—?dú)怏w的壓強(qiáng)（Pa）；

V —?dú)怏w體積（m3）；

n —?dú)怏w物質(zhì)的量（mol）；

R —摩爾氣體常數(shù)（J/（mol·K））；

T —?dú)怏w的熱力學(xué)溫度（K）。

當(dāng)式（2）中某一變量（如溫度）發(fā)生變化時(shí)，其余量會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。設(shè)溫度變化前，腔體內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為p1，氣體的量為n1，氣體的溫度為T1；溫度變化之后，腔體內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為p2，氣體的量為n2，氣體的溫度為T2,由式（2）得：

由于天線罩剛度較高，所以天線罩的內(nèi)空間體積變化可忽略，因此可得，V1= V2。如果天線罩的密封絕對(duì)有效，則氣體的量不變，即n1= n2。由式（3）÷式（4）可知：

設(shè)在常壓裝配完成的天線罩內(nèi)壓及溫度為P1及T1，天線罩裝配環(huán)境溫度取25 ℃，則：P1=102 kPa，T1=273.15+25=298.15（K），由此可得：

根據(jù)熱仿真分析結(jié)果可知，在地面高溫（70 ℃）工作時(shí)，天線罩內(nèi)溫度約為90 ℃；高空高溫工作時(shí)，天線罩內(nèi)除了自身發(fā)熱外，還受太陽輻射影響，極端工況內(nèi)部溫度可達(dá)到100 ℃。分析天線各工作剖面，并結(jié)合式（6）計(jì)算天線罩內(nèi)外壓差(表1)。天線罩內(nèi)外絕對(duì)壓差出現(xiàn)在高空高溫（18 000 m）工況下，仿真分析計(jì)算時(shí)，設(shè)置安全系數(shù)為2，絕對(duì)壓差取0.24 MPa。

表1 天線罩內(nèi)外壓差

3.2 橡膠密封圈的密封行為分析

橡膠密封圈的主體材料是橡膠，橡膠材料是高度非線性的復(fù)合材料，具有三重非線性：幾何非線性，材料非線性和接觸非線性。主要體現(xiàn)在：①大變形，大應(yīng)變；②材料的應(yīng)力，應(yīng)變關(guān)系為復(fù)雜的非線性關(guān)系；③材料體積不可壓縮或近似不可壓縮；④材料本構(gòu)還受溫度的影響[5,6]。橡膠材料作為一種超彈性材料，在一定范圍內(nèi)，有良好的伸縮性[7]。在對(duì)橡膠材料進(jìn)行有限元分析時(shí)，一般采用Neo-Hookean，Mooney-Rivlin及Yeoh等本構(gòu)模型來描述。采用Mooney-Rivlin兩參數(shù)模型[8]，參數(shù)分別為C10及C01。本文橡膠密封圈選用邵氏硬度為60的硅橡膠材料。橡膠材料的剪切彈性模量G和拉伸彈性模量可用式（7）及式（8）計(jì)算[8-10]：

式中：

HS—硬度；

μ—泊松比，因橡膠為不可壓縮材料，μ取0.5。

橡膠密封圈壓縮變形（≥10 %）為大變形，對(duì)于Mooney-Rivlin模型，兩參數(shù)關(guān)系C01/C10≈0.5[11]，帶入（7）（8）式可求得C10為0.3 MPa，C01為0.15 Mpa。

由于密封結(jié)構(gòu)為繞中心軸的旋轉(zhuǎn)體，仿真分析中采用軸對(duì)稱2D模型；法蘭盤和法蘭盤基座與密封圈采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.1，法蘭盤與法蘭盤基座采用無摩擦接觸；密封圈圓周內(nèi)側(cè)采用命令流加載上節(jié)所述天線罩絕對(duì)壓差0.24 MPa；凹槽寬度選取3.5 mm及4 mm兩種情況。橡膠密封圈變形及內(nèi)部氣壓作用區(qū)域（灰色）結(jié)果如圖3及圖4所示。

圖3 橡膠密封圈變形仿真云圖

圖4 橡膠密封圈上氣體壓力作用區(qū)域

從仿真結(jié)果可知，①凹槽寬3.5 mm時(shí)，由于凹槽容積較小，密封圈變形后，與四周的結(jié)構(gòu)件均有接觸，內(nèi)側(cè)氣壓只能加載到左上角的密封圈上；②凹槽寬4 mm時(shí)，由于間隙較大，同時(shí)，內(nèi)側(cè)氣壓加載到密封圈內(nèi)側(cè)與空氣接觸的整個(gè)面上，密封圈朝外側(cè)產(chǎn)生了更大的滑移，密封圈變形更大；③從接觸應(yīng)力分析結(jié)果顯示，凹槽寬3.5 mm和4 mm下位置1的接觸壓力分別為0.91 MPa和0.8 MPa，取安全系數(shù)為2，需用接觸壓力0.48 MPa（絕對(duì)壓差為0.24 MPa），分析壓力大于需用接觸壓力，滿足密封要求。凹槽寬3.5 mm情況下，由于密封圈受到內(nèi)側(cè)凹槽壁的擠壓，位置1的接觸反力較凹槽寬4 mm時(shí)大，接觸應(yīng)力結(jié)果符合預(yù)期。

3.3 壓縮率對(duì)密封性能影響

當(dāng)密封圈壓縮率減小時(shí)，密封圈與結(jié)構(gòu)件之間的接觸壓力必然降低。由于受天線罩法蘭盤安裝零件加工精度、法蘭盤與密封圈接觸壓力、天線罩內(nèi)外氣壓差及振動(dòng)沖擊力的影響，法蘭盤發(fā)生變形，密封圈壓縮率小于設(shè)計(jì)壓縮率27 %。通過研究密封圈在不同壓縮率時(shí)密封接觸區(qū)域的壓力，從而確定法蘭盤變形的需用范圍。仿真分析時(shí)，采用壓縮高度（式（1）中d0-h）從0.2～0.8 mm間隔0.1 mm的系列離散參數(shù)開展密封圈接觸壓力模擬，得到當(dāng)槽寬分別為3.5 mm和4 mm時(shí)，位置1～3平均接觸壓力（見圖5及圖6）。

圖5 槽寬3.5 mm時(shí)在不同壓縮高度下的接觸應(yīng)力

圖6 槽寬4 mm時(shí)在不同壓縮高度下的接觸應(yīng)力

從仿真結(jié)果可知，①P1和P2隨著密封圈壓縮高度增加，逐漸增大，這與密封圈壓縮量增加，需要逐漸增大的正壓力趨勢(shì)一致；②P3隨密封圈壓縮率增加變化不大，這是因?yàn)槲恢?和位置2接觸面的摩擦力阻止了密封圈向外滑移的趨勢(shì)，因此，要提高位置3的接觸壓力，需降低密封圈和結(jié)構(gòu)件的摩擦系數(shù)從而減少摩擦力；③位置1的接觸壓力最小，為確保密封可靠，該處壓力應(yīng)至少大于0.48 MPa，因此，壓縮高度需選0.5～0.8 mm，對(duì)應(yīng)壓縮率為16.7～26.7 %。

3.4 天線罩法蘭盤設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)密封性能的影響

天線罩通過螺釘固定在法蘭盤安裝座上，當(dāng)天線罩內(nèi)外存在氣壓差時(shí)，氣壓加載到天線罩上必然使天線罩發(fā)生形變。圖7是螺釘安裝孔數(shù)為6時(shí)，天線罩的總變形仿真結(jié)果（放大27倍），結(jié)果顯示，天線罩法蘭盤在受到內(nèi)部絕對(duì)氣壓負(fù)載時(shí)，安裝螺釘之間的部分有向上變形的趨勢(shì)，該變形會(huì)降低橡膠密封圈的壓縮率，從而影響密封能力。

圖7 天線罩形變?cè)茍D

為減小天線罩法蘭盤的變形，需要提高其剛度。天線罩球形部分為玻璃鋼材料，其厚度在天線設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)透波率、介電常數(shù)等參數(shù)確定，不能更改。天線罩法蘭盤的安裝螺釘數(shù)量和法蘭盤厚度都會(huì)影響其整體剛度。為此，對(duì)不同螺釘孔數(shù)和法蘭盤厚度的設(shè)計(jì)組合實(shí)例進(jìn)行法蘭盤最大變形的仿真分析，結(jié)果如圖8。

從仿真結(jié)果可知，①隨著法蘭盤安裝孔數(shù)量增大，法蘭盤安裝剛度提高，法蘭盤變形量減小，法蘭盤上對(duì)應(yīng)密封圈最大變形量位置均位于兩個(gè)安裝孔的中心；②法蘭盤厚度增加，其剛度提高，最大變形呈下降趨勢(shì)。③結(jié)合前文對(duì)壓縮高度的分析結(jié)果，可選擇變形量小于0.3 mm的設(shè)計(jì)點(diǎn)。根據(jù)天線罩外形具體要求，法蘭盤厚度不宜大于5 mm。綜上所述，設(shè)計(jì)點(diǎn)可從圖8中法蘭盤厚度4～5 mm，安裝孔為6～8的范圍中選取。

圖8 法蘭盤最大變形尺寸

4 結(jié)束語

結(jié)合整機(jī)的維修性、尺寸及重量的要素，優(yōu)選天線罩密封結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表2。

表2 天線罩密封結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

依據(jù)表2參數(shù)設(shè)計(jì)的天線整機(jī)產(chǎn)品通過了天線罩耐壓及淋雨試驗(yàn)，密封結(jié)構(gòu)無泄漏發(fā)生。另外需要說明的是：①本文的方案論述中，沒有針對(duì)振動(dòng)和沖擊環(huán)境開展仿真和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，在設(shè)計(jì)前期對(duì)天線罩開展了初步的模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)及沖擊仿真分析，天線罩法蘭盤的變形很小，給密封可靠性帶來的影響可忽略不計(jì)；②本文天線罩在整個(gè)任務(wù)剖面中，主要受絕對(duì)內(nèi)壓負(fù)載作用（即內(nèi)部壓力大于外部壓力），從橡膠密封圈的密封行為分析可知，在充分考慮密封圈與凹槽的配合公差的前提下，使密封圈盡量靠近凹槽外側(cè)，可減小密封圈在內(nèi)壓作用下的變形扭曲，提高密封可靠性。