基于有限元分析耐高压试验观察装置设计

尚金鑫 甄子华

摘要：在模拟深海高压中，应用耐高压试验观察装置可模拟出高压受力情况。通过试验中对近似模拟压力受力的观察，能够提高受力的分析准确性。文章在研究中，设计圆锥形耐高压观察装置，对圆筒型压力装置和球壳型压力装置的优点、缺点进行对比分析，以圆通型为主设计尺寸。在有限元法的基础上分析结构强度、设计密封装置，借助Marc有限元软件，分析O型圈密封情况，获得最佳密封间隙、压缩率，验证观察装置的安全性与可靠性。

关键词：有限元;耐高压;装置设计

1 耐高压试验观察装置基础设计

观察窗在深海设备中的应用，受到的海水压力相对较大。一般来说，观察窗可承受的试验压力为80Mpa，要求密封性较好，能够同时开展大尺寸、小尺寸的观察窗试验[1]。基于此，设计球壳型、圆筒型两种压力装置模型。其中，球壳型压力模型结构，能够将大小观察窗放于相同的压力容器中试验，不仅可对大小观察窗在海底受力情况进行正确的模拟，同时也能够避免对大小观察窗的分次试验，减少压力试验次数和步骤。

1.1尺寸设计

在海底7000m的位置，深海压力在70MPa左右。为避免安全系数出现重复，设计深海压力为80MPa。同时，设计压力装置内径650mm。此时，以高压容器为主。依据强度理论，能够得到球壳类压力容器壁厚，如公式（1）：

该公式具体使用范围如下：，若，压力容器的后壁则为72.22mm。筒状压力容器的壁厚，如公式（2）：

在公式（1）与公式（2）中，δ代表的是容器壁厚，单位用mm表示;Di代表的是圆筒容器内直径，单位用mm表示;[δ]代表的是材料许用应力;φ代表的是设计温度下，材料强度减弱系数情况。通过公式计算，可得到筒状压力容器壁厚，是160mm。

圆筒状的压力容器制造流程比较简单，且制造的成本相对偏低。因而，本次试验中，对压力容器进行设计时选择圆筒状结构。在尺寸设计时，要对大小观察窗的位置、尺寸进行考虑，确保两个观察窗的放置位置合理[2]。由于大观察窗的受力面积大，其直径为634mm，所以设计内径为650mm。

1.2有限元分析

耐高压试验观察装置，主要是对海底7000m位置的压力进行测试。此时深海压力在70MPa左右，为确保安全，设计深海压力为80MPa，所以于受压面施加荷载80MPa的压力。在选择压力装置材料时，以普通结构钢为主[3]。结合设计的尺寸，建立三维模型，壁厚、外圆直径分别是160mm和900mm。以有限元法，分析球壳型压力容器。在有限元分析下，压力装置最大应力与最大应变值，分别是337.39MPa和0.001683mm。与结构钢强度极限值相比，最大应力计算结果偏小，尺寸设计与设计要求相符合。

2 耐高压试验观察装置的密封设计

2.1O型圈结构的参数设计

本试验为确保安全性，设计深海压力为80MPa。试验中，选取O形橡胶圈进行密封。在沟槽及被密封面间安装O形橡胶圈，截面在受到压缩变形后，会使密封圈接触面产生反弹作用，形成初始密封。在预紧密封状态下，O形橡胶圈会受到流体的压力作用，被挤压到沟槽侧。流体压力与O形橡胶圈密封面压力呈正相关，自紧密封的程度，与压缩变形量有密切关系，可用ε表示压缩变形量，具体公式如（3）：

在上述公式中，d2代表密封截面直径，H0代表沟槽底与密封面距离。

自紧密封需要满足如公式（4）的条件：

在上述公式中，σmax、σ1max分别代表的是最大密封和初始的接触压力;Kc代表的是压力传递系数;P代表的是工作压力。

2.2Marc有限元分析

研究所采用的O形橡胶圈，来源为美国PARKER公司，硬度86，模型以2D平面建模为主。将O形圈作为研究对象，因结构、载荷的轴对称性影响，在有限元建模时，O形圈的压缩率为16%。在Marc Mentat2010中，导入O形圈的二维图，橡胶圆周长、间隙分别是18.85m和0.2mm。网格划分不超过0.2mm。在设置边界条件时，橡胶圈的受压侧加载深海压力为80MPa。对载荷步定义时，总加载的时间是19s，總子步数是180，收敛容差0.3。以四边形单元quad11作为密封圈，通过模型分析，对橡胶材料力学性能加以计算。橡胶硬度86，计算所得Rivlin系数C01、C10分别是0.48和1.88，体积模量VALUE23400。

2.3计算结果分析

利用Marc有限元软件，对等效应力、接触压力进行分析。分析发现，在深海80MPa的压力下，有部分橡胶圈被挤入到间隙中。最大等效应力、接触压力，分别是287.5MPa和155.6MPa，均超过100MPa。密封界面最大接触压应力要超过工作内压，是O形密封圈的密封必要条件。所以，本密封充分满足自紧密封的要求。不同密封间隙下，密封圈的接触压应力和应力大小不一。从Marc非线性有限元分析，可以明确的是在压缩率增加下，最大接触应压力先减小、后增大;而最大应力则是先增大、后减小。为降低最大接触压应力与最大应力值，应选取小密封间隙、压缩率。研究结果显示，最大接触压应力超过80MPa，与自紧密封条件相符合。

3 试验分析

根据海底7000m位置的70MPa压力，为确保安全性，设计深海压力80MPa。试验期间，压力最初为0MPa，随后逐渐加载至最高80MPa。随机取3次压力加载过程中，观察窗低压面中心点轴向位移情况。对比分析试验拟合值、理论值、有限元结果。通过试验结果来看，自由边界理论值，与本次试验的实际轴向位移值具有一致性。由此可以说明，本次试验装置设计比较合理。因观察窗采用的材料，为有机玻璃，所以可能会存在蠕变变形的现象，会造成实验值略微超过理论值，但并不会对最终的结果产生影响。

结语：通过试验分析，对压力装置内径、壁厚等尺寸，以数值方法进行计算，构建三维立体模型后，对模型实施有限元分析。通过试验，证实研究结果与理论分析具有一致性，设计比较合理，可作为实验分析依据。同时，试验装置以O型圈结构为主，密封间隙范围最低0.44mm，最高0.147mm;压缩率范围最低10%，最高20%。借助Marc有限元软件分析后，确定最佳的密封间隙是0.044mm，压缩率是10%。耐压80MPa下的密封间隙、压缩率，对最大接触压应力、最大应力有积极影响，本次研究结果可以为日后其他同类设计，提供参考及建议。

参考文献：

[1]谭黎军，俞英中，曹燕明，等.基于有限元法的绝缘装置介电强度校核[J].变压器，2019，589（10）：21-25.

[2]林子琪，廉玉康.基于有限元的高压油管压力控制模型及试验研究[J].中国高新科技，2020，000（003）：125-128.

[3]李岚，左敦稳，侯源君，等.基于有限元分析的二维振动法应力释放装置设计[J].机械制造与自动化，2020，266（01）：113-116.