安全殼閘門用O形密封圈非線性有限元分析

周新蓉++吳晨暉++丁巍

摘 要：安全殼人員閘門和設(shè)備閘門是保證安全殼壓力邊界密封性和完整性的重要組成部分。閘門密封性直接關(guān)系到人員的安全性。閘門通過O形密封圈實(shí)現(xiàn)密封功能，本文采用ANSYS Workbench17.0建立O形密封圈二維軸對(duì)稱模型，通過兩個(gè)荷載步模擬密封圈預(yù)壓縮和受介質(zhì)壓力兩種狀態(tài)，研究不同密封溝槽尺寸、不同初始?jí)嚎s率以及不同O形圈硬度下O形密封圈的變形、應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的變化，為閘門密封設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：閘門；O形密封圈；非線性有限元分析；接觸應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The personnel airlock and equipment airlock are important parts for ensuring sealing and integrality of containment vessel. Its sealing propriety direct concerns peoples security. The airlocks sealing function is achieved by O-ring seal. Through ANSYS Workbench17.0，the two-dimensional axisymmetric finite element model of the rubber O-ring is established， two load steps are used to simulate the O-ring seals two cases. By analyzing the O-ring seals total deformation， von-mises stress and maximum contact stress under different seal groove， compression ratio， and hardness， the sealing effect law under different controlling factor is achieved， thus providing bases for the designing of airlock sealing.

Keywords：airlock；O-ring seal；nonlinear finite element analysis；contact stress

0.引言

安全殼人員閘門和設(shè)備閘門作為安全殼壓力邊界的重要組成部分，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況和異常工況期間，能保證安全殼結(jié)構(gòu)的完整性和密封性。

O密封圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，國(guó)內(nèi)外也已有較多的使用和設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)供參考，雖給設(shè)計(jì)帶來一定方便，但想要分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證密封性能，還需有限元仿真進(jìn)行分析，探索各影響因素的影響規(guī)律，為后期氣密性實(shí)驗(yàn)提供可靠的密封方案，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

1.計(jì)算模型

1.1橡膠材料本構(gòu)模型

橡膠材料的非線性主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：（1）狀態(tài)非線性，是由于接觸狀態(tài)的不確定引起；（2）幾何非線性，橡膠材料在荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生大變形，其位移-應(yīng)變關(guān)系為非線性；（3）材料非線性，橡膠材料泊松比接近0.5，幾乎不可壓縮，還會(huì)產(chǎn)生蠕變和松弛，屬于超彈性材料。

橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系使用應(yīng)變能密度函數(shù)來描述，在ANSYS中使用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系，含有兩個(gè)參數(shù)的Mooney-Rivlin方程為：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3）

式中，W表示應(yīng)變能，I1、I2表示第一、第二Green應(yīng)變不變量，C10、C01為Mooney-Rivlin系數(shù)。

橡膠材料選用三元乙丙橡膠，根據(jù)橡膠材料的硬度或彈性模量可計(jì)算兩個(gè)參數(shù)的具體值，對(duì)肖氏硬度為70，彈性模量為5.54MPa的橡膠圈，式中C10=738889Pa，C01=184722Pa。

假設(shè)橡膠材料不可壓縮，并假設(shè)上下法蘭為剛體，具體參數(shù)見表1。

1.2有限元模型

在ANSYS Workbench17.0中建立橡膠壓縮組件的平面軸對(duì)稱模型，如圖1所示，上下法蘭為鋼材。為保證計(jì)算精度和收斂性，均采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

模型中包含兩個(gè)接觸對(duì)：（1）上法蘭與O形圈的接觸；（2）下法蘭與O形圈的接觸。均為摩擦型接觸，摩擦系數(shù)為0.2，接觸算法采用增強(qiáng)的拉格朗日乘子法。荷載的施加分為兩個(gè)荷載步：（1）對(duì)上法蘭施加向下的位移載荷，模擬預(yù)壓縮狀態(tài)下的O形圈初始?jí)嚎s變形；（2）在O形圈左側(cè)邊界上施加均布?jí)毫奢d，模擬操作狀態(tài)下O形圈受介質(zhì)壓力的作用。

閘門所受最大介質(zhì)壓力為0.65MPa，基于該介質(zhì)壓力以及O形圈的規(guī)格，探索不同壓縮率、不同溝槽寬度和不同肖氏硬度下的密封性能。

2.計(jì)算結(jié)果與分析

2.1兩種受力狀態(tài)下的結(jié)果分析

閘門關(guān)閉后，O形圈在徑向產(chǎn)生一定的壓縮量，為預(yù)壓縮狀態(tài)，然后O形圈受到介質(zhì)壓力的單側(cè)作用，為受介質(zhì)壓力狀態(tài)，兩種狀態(tài)下的von-Mises應(yīng)力云圖如圖2所示，預(yù)壓縮狀態(tài)下最大von-Mises應(yīng)力呈啞鈴狀，在施加介質(zhì)壓力后，最大應(yīng)力向右側(cè)移動(dòng)。

位移和介質(zhì)壓力均以斜坡荷載的形式施加在O形圈上，圖3顯示了最大von-Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力隨兩個(gè)荷載步的變化，在預(yù)壓縮時(shí)，最大von-Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力隨著壓縮量的增加呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)施加介質(zhì)壓力時(shí)，最大接觸應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度大于最大von-Mises應(yīng)力，體現(xiàn)了O形圈在介質(zhì)壓力下的自密封作用。

2.2不同壓縮率下的結(jié)果分析endprint

對(duì)于靜密封，O形圈的壓縮量選取范圍為15%～25%，依據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定的溝槽尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，最大壓縮量為16.4%，另計(jì)算壓縮量為20%、25%下的von-Mises應(yīng)力和變形，對(duì)O形圈左側(cè)施加的均布?jí)毫?.65MPa，計(jì)算結(jié)果見表2。

由于O形圈密封截面上的最大接觸壓應(yīng)力不小于工作壓力時(shí)才能保證密封，可見，不同壓縮率下最大接觸應(yīng)力均大于介質(zhì)壓力，都能滿足密封性要求，但在保證密封性的前提下，壓縮率應(yīng)盡量小以避免永久性變形。

圖4是不同壓縮率、相同介質(zhì)壓力下O形圈的von-Mises應(yīng)力云圖，可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在O形圈中間靠下部，隨著壓縮率的增大，應(yīng)力逐漸向下部轉(zhuǎn)移。

2.3不同溝槽寬度下的結(jié)果分析

分別計(jì)算溝槽寬度為9.5mm和7mm時(shí)的O形圈的受力狀態(tài)，進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算的壓縮率為16.4%，介質(zhì)壓力為0.65MPa。在預(yù)壓縮狀態(tài)下，兩種溝槽寬度的von-Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。溝槽寬度為9.5mm的O形圈僅右側(cè)受到擠壓，最大von-Mises應(yīng)力呈啞鈴形狀，而溝槽寬度為7mm的O形圈兩側(cè)均受到的擠壓，最大應(yīng)力出現(xiàn)在啞鈴狀靠下部。

兩種溝槽寬度時(shí)預(yù)壓縮狀態(tài)和受介質(zhì)壓力狀態(tài)下最大von-Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力結(jié)果見表3，在預(yù)壓縮時(shí)，溝槽寬度為7mm的O形圈應(yīng)力大于9.5mm時(shí)的應(yīng)力；在受到介質(zhì)壓力后，溝槽寬度為7mm的O形圈應(yīng)力小于9.5mm時(shí)的應(yīng)力。為保證受介質(zhì)壓力時(shí)的密封性要求，并考慮到減小O形圈的殘余變形，溝槽寬度選取9.5mm更合適。

2.4不同硬度下的結(jié)果分析

分別計(jì)算O形圈肖氏硬度為60、70、80時(shí)，在受到0.65MPa介質(zhì)壓力下的應(yīng)力和變形，von-Mises應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力和變形值見表4。

對(duì)比圖6的von-Mises應(yīng)力云圖，硬度為60的O形圈最大應(yīng)力發(fā)生在邊界部位，而硬度增加后，最大應(yīng)力發(fā)生部位變?yōu)橹虚g啞鈴狀處，但O形圈與法蘭的接觸寬度隨著硬度的增加而減小。

分析表4中應(yīng)力數(shù)據(jù)可得，最大von-Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力隨著硬度增加增長(zhǎng)較快，接觸應(yīng)力大有利于保證密封性能，但對(duì)橡膠材料的強(qiáng)度也有更高的要求。

從耐久性考慮，硬度稍大的O形圈性能較好，但硬度過大會(huì)減小密封接觸寬度從而降低密封效果。

結(jié)論

通過分析得到安全殼閘門用O形密封圈有如下結(jié)論：

（1）從預(yù)壓縮到施加介質(zhì)壓力后，O形圈與法蘭的接觸應(yīng)力增大較明顯，可說明O形圈具有一定的自密封作用。

（2）O形圈的壓縮量越大，與法蘭的接觸寬度越大，接觸應(yīng)力也越大，故密封性能越好，但O形圈所受應(yīng)力也越大，越容易使O形圈發(fā)生應(yīng)力松弛和永久變形，故在保證密封性的前提下，壓縮量應(yīng)盡量小，本文選取壓縮率為16.4%的方案。

（3）考慮到使von-Mises應(yīng)力較小的情況下增大接觸應(yīng)力從而提高密封性能，使O形圈在預(yù)壓縮狀態(tài)下單側(cè)受壓的溝槽寬度比雙側(cè)受壓的溝槽寬度更合適。故選取密封溝槽寬度為9.5mm的方案。

（4）硬度越小的O形圈，在受到介質(zhì)壓力時(shí)，接觸寬度越大，但接觸應(yīng)力越小，且更容易產(chǎn)生局部破壞，針對(duì)本文閘門的設(shè)計(jì)工況，硬度為70的O形圈更為合適。

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