容壓對(duì)柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性的影響①

王周成，李　耿，陳　妮，陳　慧，史宏斌

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安　710025)

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容壓對(duì)柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性的影響①

王周成，李耿，陳妮，陳慧，史宏斌

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安710025)

針對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)柔性接頭需要滿足寬范圍容壓等級(jí)下擺動(dòng)檢測(cè)和使用的要求，根據(jù)柔性接頭的實(shí)際工況，選取了5個(gè)典型的容壓等級(jí)，通過有限元法分析了不同擺角下容壓對(duì)柔性接頭的應(yīng)力狀態(tài)和安全系數(shù)影響規(guī)律，并開展了不同容壓下柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著擺動(dòng)容壓提高，柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性呈先增大、后減小的趨勢(shì)。對(duì)于文中柔性接頭，其擺動(dòng)密封可靠性在0.15～1.0 MPa區(qū)間快速增加，從1.0～2.0 MPa緩慢增加到最高，然后呈緩慢下降趨勢(shì)，且平均工作壓強(qiáng)折算的3.8 MPa高容壓下柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性遠(yuǎn)大于0.15 MPa低容壓下柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性。

柔性接頭；容壓；擺動(dòng)；密封；可靠性；彈性件；試驗(yàn)驗(yàn)證

0　引言

柔性接頭是噴管實(shí)現(xiàn)全軸擺動(dòng)的常見結(jié)構(gòu)形式，其具有較強(qiáng)的抗軸向壓縮能力，同時(shí)在較小的剪切外力作用下能夠變形，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下具有較強(qiáng)的自密封性。因此，廣泛用于國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量控制[1-4]。

柔性接頭為噴管擺動(dòng)的關(guān)鍵重要件，不僅需要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)下擺動(dòng)使用要求，而且由于柔性接頭作為疊層粘接成型組件缺乏粘接質(zhì)量的無損檢測(cè)手段，還需通過0.15 MPa的低壓擺動(dòng)檢驗(yàn)，以評(píng)判其粘接質(zhì)量和力矩性能，導(dǎo)致柔性接頭擺動(dòng)容壓等級(jí)的區(qū)間較寬。某柔性接頭研制過程中，多次出現(xiàn)在0.15 MPa低壓擺動(dòng)檢驗(yàn)時(shí)漏氣的問題，但在發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)下的試驗(yàn)中，從未發(fā)生過柔性接頭擺動(dòng)漏氣的問題。因此，針對(duì)上述現(xiàn)象，本文通過有限元法，計(jì)算了不同容壓下柔性接頭擺動(dòng)的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力水平和安全系數(shù)；并采用存在較大貫通性脫粘的柔性接頭和冷態(tài)擺動(dòng)試驗(yàn)裝置，開展了不同容壓下柔性接頭的冷態(tài)擺動(dòng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證容壓對(duì)擺動(dòng)密封可靠性的影響規(guī)律。

1　柔性接頭擺動(dòng)的數(shù)值模擬

1.1計(jì)算模型

如圖1所示，采用ANSYS有限元軟件建立了某型柔性接頭擺動(dòng)裝置的計(jì)算模型。由于柔性接頭是由若干同心環(huán)狀球體彈性件和增強(qiáng)件相互交替粘結(jié)在一起，前后粘接有法蘭連接件，因此模型中各部件之間為共面關(guān)系。有限元模型采用45號(hào)六面體單元，單元總數(shù)為161 091個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為170 031個(gè)。

(1)邊界條件

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)有限元模型進(jìn)行如下假設(shè)：模型中不考慮各部組件之間粘接劑影響；模型中不考慮擺桿支架、支耳的變形影響，下支點(diǎn)和擺桿之間建立剛性約束。

固定體大端固支，在下支點(diǎn)處創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)和擺桿表面之間建立Force-distributed constraint，約束節(jié)點(diǎn)和擺桿之間的位移，通過下節(jié)點(diǎn)施加擺動(dòng)載荷；同時(shí)，在柔性接頭、堵蓋和固定體殼體的外表面施加容壓載荷。

(2)材料參數(shù)

所用彈性件材料為天然橡膠，采用Mooney-Rivlin三階五項(xiàng)模型[5-7]：C10=0.051 038，C01=0.329 168，C20=0.013 877，C11=0.044 502，C02=0.013 9；其他零件材料為鋼鍛件，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

圖1　柔性接頭擺動(dòng)裝置的有限元模型

1.2計(jì)算工況

由于柔性接頭擺動(dòng)工況是重復(fù)幾十次的規(guī)定時(shí)間歷程內(nèi)不同角度的多方位單向和合成擺動(dòng)，因此可選擇一個(gè)時(shí)間歷程內(nèi)的典型擺角工況，通過計(jì)算不同容壓下典型擺角工況下的柔性接頭應(yīng)力分布，來綜合考慮容壓等級(jí)對(duì)一次時(shí)間歷程內(nèi)柔性接頭擺動(dòng)應(yīng)力水平的影響，最終獲得容壓對(duì)柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性的影響規(guī)律。

根據(jù)柔性接頭擺動(dòng)檢測(cè)和使用情況，計(jì)算的載荷選擇如下：容壓選取低壓擺動(dòng)0.15、0.30 MPa，平均工作壓強(qiáng)的折算容壓3.8 MPa[8]，以及高、低容壓之間1.0、2.0 MPa共5個(gè)壓強(qiáng)等級(jí)；擺角選取合成角度1.0°、2.0°、6.5°、8.0°共4個(gè)擺角等級(jí)，代表柔性接頭的實(shí)際擺動(dòng)工況；計(jì)算擺動(dòng)狀態(tài)選擇最嚴(yán)酷的兩個(gè)作動(dòng)器同向收縮合成狀態(tài)。

1.3計(jì)算結(jié)果分析

如圖1所示，以擺心為球心，將應(yīng)力按球坐標(biāo)系輸出。其中，沿法線X方向的為正應(yīng)力SX，沿YZ平面Y向?yàn)榧魬?yīng)力SXY，沿YZ平面Z向?yàn)榧魬?yīng)力SXZ。由于柔性接頭擺動(dòng)漏氣的破環(huán)模式共有粘接界面脫粘、彈性件扯裂和前二者混合破環(huán)3種，從未發(fā)生過增強(qiáng)件破環(huán)的模式。因此，通過分析彈性件應(yīng)力來評(píng)價(jià)柔性接頭擺動(dòng)的密封可靠性。

1.3.1容壓對(duì)柔性接頭應(yīng)力狀態(tài)的影響

表1為不同容壓和擺角等級(jí)下柔性接頭彈性件的法向和切向最大應(yīng)力，圖2為彈性件法向和切向最大應(yīng)力變化趨勢(shì)圖?？梢?，隨著容壓的增加，彈性件的法向最大應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力狀態(tài)由拉伸變?yōu)閴嚎s；而切向最大應(yīng)力逐漸增大，但增加量在可承受范圍內(nèi)(遠(yuǎn)小于彈性件的剪切強(qiáng)度6.36 MPa)。隨著容壓增加至2.0 MPa，所有擺角下柔性接頭均由拉剪的工作狀態(tài)進(jìn)入更可靠的壓剪工作狀態(tài)。

圖2　彈性件的應(yīng)力隨容壓的變化趨勢(shì)圖

表1　不同容壓下彈性件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3和圖4分別為合成擺角分別是1.0°和8.0°時(shí)，法向出現(xiàn)正應(yīng)力對(duì)應(yīng)容壓下的柔性接頭彈性件法向應(yīng)力云圖。圖中灰色區(qū)域表示彈性件處于拉剪狀態(tài)?？梢?，對(duì)于1°的小角度合成擺動(dòng)工況，彈性件在低容壓0.15 MPa下，絕大部分已經(jīng)處于壓剪的應(yīng)力狀態(tài)，0.30 MPa及更高容壓下，彈性件全部處于壓剪的可靠應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于8°的大角度合成最嚴(yán)酷擺動(dòng)工況，彈性件在低容壓0.15 MPa下，大部分處于拉剪的應(yīng)力狀態(tài)，隨著容壓升高，拉剪狀態(tài)區(qū)域迅速減小，在2.0 MPa容壓下，彈性件拉剪狀態(tài)區(qū)域幾乎全部消失?？梢?，容壓對(duì)彈性件的擺動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)影響顯著。

1.3.2容壓對(duì)柔性接頭安全系數(shù)的影響

考慮法向和切向應(yīng)力二者的綜合影響，彈性件的安全系數(shù)f可按式(1)計(jì)算[5]：

(1)

其中，彈性件拉伸破壞強(qiáng)度σb=2.23 MPa；剪切破壞強(qiáng)度τb=6.36 MPa。由于橡膠為超彈性材料，不考慮壓應(yīng)力狀態(tài)對(duì)彈性件的安全系數(shù)的影響。

(a)0.15 MPa

(b)0.30 MPa

圖5為不同容壓下彈性件的安全系數(shù)?？梢姡S著容壓升高，彈性件的安全系數(shù)呈先增大、后減小的趨勢(shì)，且擺角越大彈性件的安全系數(shù)越低。分析發(fā)現(xiàn)，隨著容壓升高，彈性件法向應(yīng)力相對(duì)于拉伸強(qiáng)度的下降率大于剪切應(yīng)力相對(duì)于剪切強(qiáng)度的上升率。因此，當(dāng)彈性件處于法向拉伸應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，容壓升高導(dǎo)致彈性件安全系數(shù)增大；當(dāng)彈性件處于法向壓縮應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，容壓升高導(dǎo)致彈性件安全系數(shù)下降?？梢?，當(dāng)彈性件的法向應(yīng)力為零時(shí)，彈性件的安全系數(shù)達(dá)到最高。由于對(duì)于不同的擺動(dòng)工況，彈性件的法向應(yīng)力為零對(duì)應(yīng)的容壓等級(jí)不同，導(dǎo)致不同擺動(dòng)工況下彈性件安全系數(shù)達(dá)到最高的容壓等級(jí)不同，呈現(xiàn)為擺角越大，彈性件安全系數(shù)達(dá)到最高的容壓等級(jí)越高。

(a)0.15 MPa

(b)0.30 MPa

(c)1.0 MPa

(d)2.0 MPa

由于柔性接頭的擺動(dòng)工況是規(guī)定時(shí)間歷程內(nèi)不同擺角下單向和合成擺動(dòng)，同時(shí)由上述分析可知，最大擺角下,彈性件安全系數(shù)最低。因此，以最大擺角下的彈性件安全系數(shù)來評(píng)價(jià)容壓對(duì)柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性的影響。該柔性接頭的最大擺角為8°。因此，以8°擺角工況下的安全系數(shù)評(píng)價(jià)容壓對(duì)規(guī)定時(shí)間歷程不同擺角工況下擺動(dòng)密封可靠性的影響，即柔性接頭的擺動(dòng)的安全系數(shù)隨容壓升高呈先增大、后減小的趨勢(shì)，在2.0 MPa容壓下,安全系數(shù)達(dá)到最高。

圖5　不同容壓下柔性接頭彈性件的安全系數(shù)

綜合考慮容壓對(duì)柔性接頭的應(yīng)力狀態(tài)和安全系數(shù)的影響規(guī)律，認(rèn)為對(duì)于該型柔性接頭，隨著擺動(dòng)容壓提高，柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性在0.15～1.0 MPa區(qū)間快速增加，從1.0～2.0 MPa緩慢增加到最高，然后呈緩慢下降趨勢(shì)，且平均工作壓強(qiáng)折算的3.8 MPa高容壓下柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性遠(yuǎn)大于0.15 MPa低容壓下柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性。

2　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證容壓對(duì)柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性的影響規(guī)律，采用存在較大貫通性脫粘的該型柔性接頭進(jìn)行擺動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1試驗(yàn)裝置

擺動(dòng)試驗(yàn)裝置見圖6，主要由柔性接頭、冷試容器、固定體殼體、堵蓋、擺桿支架、支耳、伺服系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)等組成。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

柔性接頭擺動(dòng)試驗(yàn)的容壓等級(jí)從0.15 MPa開始，先以0.05 MPa步長(zhǎng)升壓，容壓升至1.0 MPa后，再以0.1 MPa步長(zhǎng)升壓，每級(jí)容壓按伺服單元測(cè)試程序擺動(dòng)一次，直至燃燒室平均工作壓強(qiáng)折算3.8 MPa。

擺動(dòng)試驗(yàn)過程中，在0.15 MPa下，擺角增大到2.0°時(shí)發(fā)生漏氣；在1.0 MPa下，擺角增大到6.5°時(shí)發(fā)生漏氣；隨著容壓升高，2.0 MPa時(shí)，所有擺動(dòng)工況柔性接頭不再漏氣。表2為典型容壓等級(jí)下的柔性接頭按伺服單元測(cè)試程序擺動(dòng)的壓降和總比力矩?？梢姡S著容壓升高，柔性接頭一次伺服單元測(cè)試擺動(dòng)過程中漏氣導(dǎo)致的壓降逐漸下降至0 MPa，說明容壓升高,使柔性接頭脫粘區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽悦芊鈪^(qū)域，當(dāng)容壓升高到2.0 MPa,脫粘區(qū)域已全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽悦芊鈪^(qū)域。同時(shí)，隨著容壓升高，柔性接頭擺動(dòng)力矩逐漸增大到正常水平(無脫粘柔性接頭的力矩水平)后逐漸減小，考慮到柔性接頭具有隨著容壓升高、擺動(dòng)力矩下降的特性[9]，說明0.15～2.0 MPa區(qū)間容壓升高，使柔性接頭脫粘區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽悦芊鈪^(qū)域，導(dǎo)致柔性接頭的擺動(dòng)力矩增加量大于容壓升高引起擺動(dòng)力矩下降量，當(dāng)容壓升高到2.0 MPa，脫粘區(qū)域已全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽悦芊鈪^(qū)域，容壓再升高，只會(huì)引起擺動(dòng)力矩下降。

圖6　柔性接頭擺動(dòng)試驗(yàn)裝置

表2　不同容壓下柔性接頭擺動(dòng)壓降和總比力矩

試驗(yàn)表明，隨著容壓從0.15 MPa逐漸提高到2.0 MPa，該型柔性接頭粘結(jié)界面密封可靠性也隨著提高，導(dǎo)致柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性逐漸提高。當(dāng)容壓超過2.0 MPa后，柔性接頭力矩呈下降趨勢(shì)，但在合理范圍內(nèi)，且氣密性能良好。由于柔性接頭力矩減小趨近于零，甚至出現(xiàn)負(fù)力矩會(huì)造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[10]，認(rèn)為當(dāng)容壓超過2.0 MPa時(shí)，力矩下降會(huì)導(dǎo)致柔性接頭穩(wěn)定性有所下降，從而降低了柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性。

根據(jù)柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性隨容壓升高，呈先增大、后緩慢減小的規(guī)律，為了提高該型柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性，同時(shí)考慮堵蓋的安全性，可將噴管的擺動(dòng)檢驗(yàn)壓強(qiáng)提高到0.3 MPa(堵蓋打開壓強(qiáng)在1.0～2.5 MPa之間)；采用堵蓋工裝的柔性接頭擺動(dòng)檢驗(yàn)壓強(qiáng)，可提高到2.0 MPa。

3　結(jié)論

(1)隨著容壓升高，擺動(dòng)工況下柔性接頭彈性件法向?yàn)檎龖?yīng)力的區(qū)域迅速減小，柔性接頭由拉剪應(yīng)力狀態(tài)逐漸進(jìn)入更可靠的壓剪應(yīng)力狀態(tài)。

(2)通過柔性接頭彈性件安全系數(shù)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為柔性接頭擺動(dòng)密封可靠性隨著容壓升高，呈現(xiàn)為先增大、后緩慢減小的趨勢(shì)，當(dāng)彈性件的法向應(yīng)力為零時(shí)，柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性達(dá)到最高，且柔性接頭的規(guī)定時(shí)間歷程內(nèi)，擺動(dòng)工況中的最大擺角越大，柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性越低，可靠性達(dá)到最高所對(duì)應(yīng)的容壓等級(jí)越高。對(duì)于文中的某型柔性接頭，其擺動(dòng)密封可靠性在0.15～1.0 MPa區(qū)間快速增加，從1.0～2.0 MPa緩慢增加到最高，然后呈緩慢下降趨勢(shì)，且平均工作壓強(qiáng)折算的3.8 MPa高容壓下柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性遠(yuǎn)大于0.15 MPa低容壓下柔性接頭的擺動(dòng)密封可靠性。

[1]阮崇智.大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)[J].固體火箭技術(shù),2005,28(1): 23-28.

[2]Shimon Shani,Shlomo Putter,Arice Peretz.Development of a high-performance flexible joint for thrust vector control[R].AIAA 95-3047.

[3]Hoyt Sherard.Development of advanced flex joint technology[R].AIAA 73-1262.

[4]Akiba R,Kohno M.Development of movable nozzle for solid rocket motor[R].AIAA 83-2285.

[5]Prins W,Meyer S,Cox P.Advanced solid rocket motor nozzle thrust vector control flexseal development status[R].AIAA 92-3553.

[6]安春利.柔性接頭低壓擺動(dòng)載荷分析和性能研究[D〗.西安: 第二炮兵工程學(xué)院,2004.

[7]徐明.橡膠類超彈性材料非線性本構(gòu)關(guān)系研究和有限元分析[D].北航:北京航空航天大學(xué),1997.

[8]陳汝訓(xùn),劉銘初,李志明,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研究(下)[M].北京：北京宇航出版社,2007: 117-223.

[9]王春光.高壓作用下柔性接頭擺動(dòng)力矩減小問題分析[D].西安: 航天動(dòng)力技術(shù)研究院,2010.

[10]曹翠微,陳為民,蔡體敏,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)柔性接頭的結(jié)構(gòu)分析[J].推進(jìn)技術(shù),2006,27(5): 450-454.

(編輯：崔賢彬)

Influence of vessel pressure on flexible joint swing seal reliability

WANG Zhou-cheng，LI Geng，CHEN Ni，CHEN Hui，SHI Hong-bin

(The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC，Xi'an710025，China)

With regard to the wide range vessel pressure during swing detecting and using of solid motor flexible joint,five typical vessel pressure grades were selected,then finite element analysis method was adopted to get the influence rule of the vessel pressure under different swing angles.Moreover a flexible joint swing confirmation test was carried out to verify the simulation results.The simulation computation and confirmation test show that the flexible joint swing seal reliability increases first and then decreases with the vessel pressure increasing.For the flexible joint in this paper,the reliability increases rapidly from 0.15 MPa to 1.0 MPa,then increase slowly from 1.0 MPa to 2.0 MPa,finally decreases slowly,and the reliability at 3.8 MPa of the conversion pressure of combustion chamber is far higher than the reliability at 0.15 MPa.

flexible joint;vessel pressure;swing;seal;reliability;elastomer;confirmation test

2015-05-08；

2015-08-15。

王周成(1985—)，男，碩士，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管設(shè)計(jì)。E-mail：wangzc36@163.com

V435

A

1006-2793(2016)03-0337-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.03.008