安裝預(yù)緊力對活塞貯箱運動靈活性影響的仿真分析

董亮亮 陳靜靜

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安裝預(yù)緊力對活塞貯箱運動靈活性影響的仿真分析

董亮亮 陳靜靜

（北京航天動力研究所，北京 100076）

通過有限元仿真技術(shù)對貯箱在不同預(yù)緊力作用下的殼體變形進(jìn)行分析計算，并根據(jù)計算結(jié)果，提出了優(yōu)化的固定安裝方式，可有效避免預(yù)緊力對活塞運動靈活性的影響，提高貯箱功能可靠性。

活塞貯箱；靈活性；安裝方式；有限元

1 引言

活塞貯箱典型結(jié)構(gòu)由殼體、活塞、密封元件、接嘴等組成，如圖1所示。該種貯箱結(jié)構(gòu)簡單、易加工、性能可靠，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。貯箱工作時，活塞在上游氣體等動力源作用下移動，擠出其內(nèi)部貯存的介質(zhì)。活塞在全程靈活運動是保證其功能正常的基本要求，因此，應(yīng)根據(jù)貯箱固定安裝方式，分析影響活塞運動靈活性的主要因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少不利因素對運動靈活性的影響，提高貯箱運動可靠性。

圖1 活塞式貯箱結(jié)構(gòu)示意圖

影響活塞運動靈活性的主要因素有：活塞運動摩擦力、滑動面表面光潔度、活塞與殼體配合面同軸度、活塞與殼體配合間隙、貯箱安裝預(yù)緊力。前四種因素可以采取設(shè)計措施和工藝措施加以保證。根據(jù)密封設(shè)計相關(guān)準(zhǔn)則和規(guī)范，貯箱殼體結(jié)構(gòu)尺寸確定后，殼體與活塞配合間隙設(shè)計值范圍便同時確定，此時影響活塞運動靈活性主要因素為貯箱安裝預(yù)緊力：卡箍安裝預(yù)緊力作用下，殼體會產(chǎn)生彈性變形，使殼體與活塞配合間隙變小，如果殼體變形量接近或大于配合間隙，就會引起活塞運動卡澀，貯箱功能失效。

貯箱常用的安裝方式有支耳安裝方式和卡箍安裝方式，本文以卡箍和支板進(jìn)行固定安裝的活塞貯箱為研究對象，使用Marc有限元分析軟件建立殼體與卡箍三維仿真模型，對貯箱在不同安裝預(yù)緊力下的殼體變形情況進(jìn)行計算，分析殼體變形對活塞運動靈活性的影響，并提出優(yōu)化措施。

2 計算模型及有限元分析

2.1 計算物理模型

如圖2所示，貯箱通過卡箍和緊固件固定在支板上，活塞與殼體之間采用O形橡膠圈進(jìn)行密封，根據(jù)GB/T3452.3—2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈溝槽尺寸設(shè)計計算準(zhǔn)則》和貯箱殼體圓筒內(nèi)徑，殼體與活塞配合間隙設(shè)計為0.024～0.035mm。卡箍為不銹鋼彈性元件，自由狀態(tài)下，卡箍與貯箱殼體表面貼合時，卡箍翻邊與支板上表面間隙為0.5mm，如圖3所示。殼體及卡箍材料屬性見表1。

圖2 活塞貯箱安裝方式

圖3 卡箍自由狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料屬性

2.2 基于Marc有限元仿真分析

2.2.1 有限元模型建立

本文通過Marc有限元分析軟件建立殼體與卡箍結(jié)構(gòu)的三維仿真模型[1，2]，并采用映射網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖4），使所有網(wǎng)格均為六面體單元，提高了運算速率，保證了計算結(jié)果更加精確，避免局部區(qū)域出現(xiàn)較大的計算誤差或矩陣奇異而終止計算。

2.2.2 施加載荷和邊界條件

有限元模型的邊界條件是由貯箱殼體的實際約束條件與加載條件決定的。貯箱安裝狀態(tài)下，預(yù)緊力大小取決于卡箍翻邊位移，卡箍翻邊位移越大，預(yù)緊力越大。因此，為了與實際情況相符，以貯箱卡箍翻邊位移作為輸入條件，根據(jù)接觸對設(shè)置相關(guān)原則，將卡箍內(nèi)側(cè)圓柱面設(shè)置為接觸面，將與卡箍貼合的殼體外側(cè)圓柱面設(shè)置為目標(biāo)面，并加載位移約束邊界條件，進(jìn)行非線性接觸分析。

2.2.3 有限元仿真結(jié)果及分析

根據(jù)建立的有限元模型，通過求解計算可獲得不同的卡箍翻邊位移對應(yīng)的貯箱殼體各部位變形及應(yīng)力情況。

當(dāng)卡箍翻邊與支架貼合時，此時位移最大，為0.5mm，預(yù)緊力也最大，殼體變形仿真分析結(jié)果見圖5～圖7。結(jié)果表明：殼體最大等效應(yīng)力為110MPa，發(fā)生在與卡箍貼合的區(qū)域，遠(yuǎn)小于殼體材料屈服強(qiáng)度825MPa，殼體發(fā)生彈性變形；貯箱殼體最大徑向變形為0.0265mm，發(fā)生在與卡箍貼合的區(qū)域，該變形量大于活塞與殼體的最小配合間隙0.024mm，易出現(xiàn)活塞卡澀現(xiàn)象，使貯箱工作過程中，不能有效擠出貯存介質(zhì)。

圖6 位移0.5mm時殼體變形

圖7 位移0.5mm時殼體等效應(yīng)力

減小卡箍預(yù)緊力，使卡箍翻邊位移為0.2mm，殼體變形仿真分析結(jié)果見圖8。結(jié)果表明：貯箱殼體最大變形為0.0154mm，同樣發(fā)生在卡箍安裝處，但相比卡箍翻邊位移為0.5mm時變形量明顯減小，預(yù)緊力產(chǎn)生的殼體變形量小于殼體與活塞配合間隙最小設(shè)計值0.024mm，活塞運動過程中，不會產(chǎn)生卡澀現(xiàn)象。

上述研究結(jié)果表明：卡箍安裝預(yù)緊力會使殼體產(chǎn)生彈性變形，預(yù)緊力過大時，彈性變形量大于活塞與殼體的最小配合間隙，易出現(xiàn)活塞卡澀現(xiàn)象，影響活塞運動靈活性。為避免該情況發(fā)生，需采取有效措施，優(yōu)化貯箱安裝方式，減小卡箍預(yù)緊力引起的殼體變形，從而降低其對活塞運動靈活性的影響。

3 貯箱安裝方式優(yōu)化措施

為減小卡箍預(yù)緊力引起的殼體變形，貯箱安裝方式可采用以下優(yōu)化方案：

a. 優(yōu)化支架和卡箍的設(shè)計尺寸，使得卡箍與殼體表面貼合的自由狀態(tài)下，卡箍翻邊與支板上表面的間隙為0.2mm，這樣貯箱安裝后，卡箍翻邊最大位移為0.2mm，滿足上述計算中不產(chǎn)生卡澀的限制條件；

b. 整體或局部增加殼體壁厚，提高剛度，從而減小殼體在預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的變形，同時適應(yīng)性地調(diào)整相關(guān)配合尺寸；

c. 保持貯箱殼體外形尺寸不變，將卡箍、支板與殼體配合間隙尺寸增加0.5mm，在間隙中充填0.5mm厚的航空橡膠板。此時自由狀態(tài)下，卡箍翻邊與支板上表面間隙仍為0.5mm，但在安裝后由于橡膠板壓縮變形，換算為卡箍翻邊的實際位移為0.2mm，滿足上述計算中不產(chǎn)生卡澀的限制條件；

圖9 優(yōu)化后貯箱安裝方式示意圖

綜合分析上述優(yōu)化方案的工程實用性，考慮加工精度、安裝預(yù)緊力偏差等過程控制因素，第三種方案更為適用，優(yōu)化后安裝示意圖見圖9。對采用此方案的殼體變形情況進(jìn)行了實際測量，結(jié)果在0.005～0.01mm之間，最大變形發(fā)生在卡箍安裝處，實測結(jié)果與計算結(jié)果基本一致，表明計算方法正確，結(jié)果可信。

4 結(jié)束語

通過對采用卡箍安裝方式的活塞貯箱殼體建模和仿真計算，獲取了不同預(yù)緊力作用下的殼體變形量，分析得到了安裝預(yù)緊力對活塞運動靈活性的影響，并提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，采取優(yōu)化措施后殼體變形量小于活塞與殼體配合間隙設(shè)計最小值，不會出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

本文所述建模及分析方法正確，可有效預(yù)示安裝預(yù)緊力下殼體的變形情況，分析其對活塞運動靈活性的影響，為活塞貯箱的動特性設(shè)計提供了有力支撐。

1 馮超，孫丹丹，陳火紅. 全新Marc實例教程與常見問題解析[M]. 北京：中國水利水電出版社，2012

2 陳火紅，于軍泉，習(xí)源山. MSC.Marc/Mentat2003基礎(chǔ)與應(yīng)用實例[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004

Simulation Analysis of the Effect of Installation Preload on Movement Flexibility of Piston Tank

Dong Liangliang Chen Jingjing

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076)

Using the finite element simulation analysis technology to analyze and calculate the shell deformation of tank under the different preload. Based on the calculation results, optimizing the tank fixed installation method, which can effectively avoid the influence of preload on the flexibility of piston movement, so as to improve the reliability of the tank.

piston tank；flexibility；installation method；finite element

董亮亮（1985），碩士，固體力學(xué)專業(yè)；研究方向：軌姿控發(fā)動機(jī)壓力容器設(shè)計。

2017-11-09