软金属密封结构密封性能数值仿真研究

黄其殷，白旭东，李妙婷

（西安航天动力研究所，陕西 西安710100）

0 引言

由于发动机工作条件十分恶劣，在其工作条件下应满足密封无泄漏、结构可靠、质量小、拆卸方便、制造成本低、互换性好及多次使用的要求[1]。软金属密封结构应用于高压补燃循环液氧煤油发动机的高压气路和高压液路接头，其密封可靠性是确保发动机正常工作的重要基础之一。较以往发动机球面密封结构，软金属密封结构通过采用不同材料的密封垫，适用于-190℃低温液氧、常温燃料及500℃高温燃气等工作环境，在使用中表现出良好操作性、密封性及抗震性。

国内外学者通过商业有限元软件ABAQUS和ANSYS对航天器氧系统和燃料系统管路密封结构密封性能进行了仿真分析[2-4]。针对软金属密封结构，将通过有限元软件NASTRAN隐式非线性模块，建立起软金属密封结构接触和材料弹塑性有限元模型，并对其密封机理和密封性能进行仿真分析。

1 密封结构组成

软金属密封结构如图1所示，包括凹台阶接头、软金属密封垫、凸台阶接头及外套螺母4个零件，在凹台阶接头和凸台阶接头密封面上开有V型密封槽。

常用的球面密封结构如图2所示，由凹球面接头、外套螺母及凸球面接头组成。

图1 软金属密封结构Fig.1 Configuration of soft metal seal

图2 球面密封结构Fig.2 Configuration of spherical seal

与球面密封相比，在工程应用中发现软金属密封具有以下优点：

1）使用温度范围广，可在-182℃液氧温度，500℃富氧燃气环境下正常工作；

2）管路通径应用范围广，从4 mm小通径管路到32 mm通径管路均可保证可靠密封；

3） 重复使用性强，软金属强度远小于接头强度，不会损伤接头密封面，因此每次拆装只需更换密封垫即可多次重复使用；

4）良好的加工性，软金属密封结构中，凸、凹台阶接头的配合面较长，在装配时起导向作用，可防止因装配偏差造成密封垫受力不均而影响密封性能，不需要特殊精加工；

5） 良好的抗震性，密封垫塑性变形后，填充导向配合间隙，使凸、凹台阶接头配合非常紧密，整个密封具有良好的抗震放松能力。

2 数值模型与计算方法

凹台阶接头、凸台阶接头及外套螺母材料为高强不锈钢，弹性模量E＝210 GPa，泊松比μ＝0.3，σ0.2=980 MPa；软金属密封垫为经退火处理的工业纯铝L4，弹性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.27，屈服应力小于50 MPa。由于不锈钢屈服强度远大于纯铝屈服强度，因此，在计算中不锈钢材料使用弹性本构模型，L4材料特性采用弹塑性本构模型，接触计算采用单面接触模型[5-6]。

三维弹塑性接触问题控制方程为：

平衡方程

几何方程

弹塑性本构模型

Von Mises屈服准则

Von Mises流动准则

Von Mises硬化准则

单边接触准则

力边界条件

位移边界条件

由于软金属密封结构具有对称性，而且承受对称载荷，因此取其四分之一采用8节点6面体单元对结构进行网格划分。

按公式（10）计算铝密封垫所需轴向压紧力[7]

式中：DG为密封接触面的平均直径；p为工作状态管道内介质压力，本文取p=45 MPa；b为有效密封宽度；m为垫片系数，对于铝垫片m=4。计算得到螺纹所需轴向压紧力为14 711 N。

定义两个计算步：

1）预紧过程 轴向压紧力Wp增加过程；

2）工作过程 轴向压紧力Wp保持不变，管路内压力p增加过程。

3 仿真结果及密封机理分析

3.1 仿真结果分析

从图3可以看到，结构应力最大到875 MPa，表现为局部集中应力，实际应用中并不存在，不会对结构安全产生影响。

图3 工作状态应力云图Fig.3 Stress distribution of sealing structure under working state

变形局部放大云图如图4所示，密封垫已楔入凹台阶接头和凸台阶接头V形密封槽内，达到结构设计预期。

密封垫变形云图如图5和图6所示，预紧状态密封垫压缩量约0.09 mm，楔入密封槽约0.205 mm；工作状态密封垫压缩量约0.08 mm，楔入密封槽约0.22 mm。工作状态与预紧状态相比，密封面回弹大约0.01 mm。

图4 局部变形云图Fig.4 Distribution of local deformation

图5 预紧状态密封垫变形云图Fig.5 Sealing gasket deformation under pre-impacted state

图6 工作状态密封垫变形云图Fig.6 Sealing gasket deformation under working state

密封垫接触应力云图如图7和图8所示，预紧状态接触应力大于400 MPa，工作状态接触应力大于300 MPa，分布均匀。

管路内压45 MPa时，铝垫所需实际工作密封比压[7]

qs=mpc=4×45=180 MPa

工作状态密封安全系数

在45 MPa工作压力下，密封安全系数大于1.67，能够提供足够的密封比压，保证可靠密封。

图7 预紧状态密封垫轴向接触应力云图Fig.7 Axial contact stress of sealing gasket under pre-impected state

图8 工作状态密封垫轴向接触应力云图Fig.8 Axial contact stress of sealing gasket under working state

3.2 密封机理分析

密封面上，应力-加载曲线如图9所示，接触应力-加载曲线如图10所示。

从图9可以发现，密封垫应力约30 MPa时，密封垫开始进入塑性阶段，并维持一段时间的蠕变，出现第一个应力平台，随后应力迅速增加，进入硬化状态；密封垫应力约45 MPa时，由于密封槽内的材料开始进入蠕变状态，并填充台阶接头上的密封槽，因此密封面上出现第二个应力平台，随着载荷的增加密封槽逐渐被填充满，应力随后迅速增加，结构第二次进入硬化阶段。在工作过程中，随着管路内压增加，逐渐平衡部分轴向预紧力，使密封垫的应力逐渐下降。

从图10可以看到，在预紧过程，接触应力随加载历程增加而增加，接触应力在170 MPa附近，由于密封垫进入塑性阶段，导致数值计算振荡所致。在工作过程中，开始施加管路内压，结构应力单向加载平衡被打破，凹台阶接头和凸台阶接头开始卸载，导致计算振荡，随着管路内压的逐步提高，接触压力缓慢降低。

图9 应力－加载历程曲线Fig.9 Stress versus loading process

图10 接触应力－加载过程曲线Fig.10 Contact stress versus loading process

从以上计算结果可以发现，软金属密封结构的密封机理为：随着螺纹提供轴向压紧力增大，软金属密封垫被压缩，逐步填满凸台阶接头、凹台阶接头密封面上微小凸凹不平，并发生大范围弹塑性变形，锲入接头V型密封槽中，最终使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压差完成密封。

4 结论

1） 软金属密封结构的密封机理：随着螺纹提供轴向压紧力增大，软金属密封垫被压缩，逐步填满凸台阶接头、凹台阶接头密封面上微小凸凹不平，并发生大范围弹塑性变形，锲入接头V型密封槽中，最终使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压差完成密封。

2） 软金属密封结构具有使用温度范围广，从液氧-190℃到富氧燃气500℃，工作时间长，具有良好的加工性和抗震性能。

3） 软金属密封结构在管路内压45 MPa下，结构最大应力为875 MPa，密封垫变形受压变形后楔入密封槽内，密封垫接触应力分布均匀，且大于300 MPa，密封安全系数大于1.67。

[1]张贵田.高压补燃液氧煤油发动机[M].北京:国防工业出版社,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,刘军生,陈少斌.球面型管路连接件密封性能分析及力学性能测试[J].火箭推进,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]张洪武.参变变分原理与材料和结构力学分析 [M].北京:科学出版社,2010.

[6]陈红火.Marc有限元分析教程[M].北京:机械工业出版社,2002.

[7]王文斌.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1988.