基于有限元的O形橡膠密封圈裝配過(guò)程參數(shù)影響分析

李記威+曹軍偉+王國(guó)銳+張澤遠(yuǎn)

摘 要： 利用有限元軟件對(duì)某固體發(fā)動(dòng)機(jī)O形橡膠密封圈裝配過(guò)程進(jìn)行仿真分析。 研究了裝配過(guò)程中密封圈材料參數(shù)、 密封圈與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體摩擦系數(shù)、 軸向裝配速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封圈剪應(yīng)力的影響。 結(jié)果表明， 材料參數(shù)、 摩擦系數(shù)以及裝配速度是影響密封圈最大剪應(yīng)力的主要因素。

關(guān)鍵詞： 固體發(fā)動(dòng)機(jī)； O形橡膠密封圈； 裝配； 有限元； 超彈性

中圖分類(lèi)號(hào)： V435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-5048（2017）06-0072-05[SQ0]

0 引 言

空空導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜[1]， 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中燃燒室承受高溫、 高壓燃?xì)猓?因此密封結(jié)構(gòu)的可靠性是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 燃燒室零件之間的密封一般采用O形橡膠密封圈， 密封圈能否可靠工作直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)成敗。 發(fā)動(dòng)機(jī)密封在設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、 使用等環(huán)節(jié)均需要重點(diǎn)關(guān)注。 特別是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的裝配質(zhì)量， 是決定密封結(jié)構(gòu)是否可靠的關(guān)鍵一環(huán)。 但密封圈在裝配過(guò)程中難以觀(guān)察， 密封圈是否會(huì)發(fā)生剪切破壞不容易被發(fā)現(xiàn)， 因此通過(guò)對(duì)裝配過(guò)程仿真， 從而在理論上獲得各參數(shù)對(duì)裝配的影響規(guī)律， 最大程度避免密封圈在生產(chǎn)過(guò)程中受剪切破壞。

國(guó)內(nèi)針對(duì)O形橡膠密封圈的密封性能研究較多[2-14]。 陸婷婷等[2]對(duì)O形橡膠密封圈的截面直徑、 間隙張開(kāi)量、 間隙張開(kāi)時(shí)間、 壓縮率和壓力對(duì)密封圈密封性能的影響進(jìn)行了仿真分析。 閆平義等[9]設(shè)計(jì)了橡膠回彈性測(cè)試儀， 對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用氟橡膠圈密封材料回彈特性進(jìn)行了研究。 陳汝訓(xùn)[13]對(duì)提高密封結(jié)構(gòu)可靠性提出了有益的建議。

國(guó)內(nèi)研究主要集中在密封圈使用過(guò)程， 對(duì)密封圈裝配過(guò)程研究較少。 本文對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭裝配過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真， 對(duì)裝配過(guò)程影響密封圈受剪切的幾種因素進(jìn)行梳理和參數(shù)影響分析， 得到了主要影響參數(shù)， 結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)具有一定的參考意義。

1 仿真分析

1.1 假設(shè)條件及模型參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈裝配過(guò)程仿真模擬， 假設(shè)：

（1） 發(fā)動(dòng)機(jī)各金屬組成設(shè)為剛體；

（2） 橡膠材料各向同性， 且近似不可壓縮；

（3） 考慮幾何非線(xiàn)性效應(yīng)；

（4） 前封頭裝配過(guò)程與燃燒室筒體（以下簡(jiǎn)稱(chēng)筒體）完全對(duì)中。

有限元軟件用應(yīng)變勢(shì)能來(lái)表達(dá)超彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系， 有多種不同的應(yīng)變勢(shì)能模型。 此外， 有限元軟件可直接輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 包括：

（1） 單軸拉伸和壓縮；

（2） 等雙軸拉伸和壓縮；

（3） 平面拉伸和壓縮；

（4） 體積拉伸和壓縮。

由于單軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)容易得到， 且應(yīng)用最為廣泛， 本文采用單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭與筒體密封結(jié)構(gòu)件如圖1～2所示。 圖1為裝配前結(jié)構(gòu)位置， 圖2為裝配后結(jié)構(gòu)位置。

模型橡膠密封圈參數(shù)中， 泊松比取0.499 99， 單軸拉伸數(shù)據(jù)如圖3所示。 裝配速度0.5 mm/s， 不計(jì)密封圈與筒體和前封頭之間的摩擦。

1.2 裝配過(guò)程分析

裝配過(guò)程中， 密封圈在封頭密封槽里， 封頭沿軸向朝著筒體內(nèi)部方向平行推進(jìn)， 進(jìn)入密封面倒角時(shí)， 密封圈被壓縮變形， 當(dāng)密封圈完全進(jìn)入密封面后， 封頭繼續(xù)沿原方向移動(dòng)， 直至達(dá)到安裝。

密封圈進(jìn)入密封面的整個(gè)過(guò)程如圖4～7所示。 由圖可知， 密封圈通過(guò)筒體倒角時(shí)， 首先與封頭的尖角a和筒體的尖角b接觸， 此時(shí)由于密封圈變形較小， 未產(chǎn)生較大剪應(yīng)力， 如圖4所示。 在通過(guò)筒體尖角c時(shí)， 產(chǎn)生最大剪應(yīng)力， 此時(shí)密封圈容易受剪切破壞， 達(dá)到最大剪應(yīng)力， 如圖5～6所示。 當(dāng)密封圈全部進(jìn)入筒體密封面后， 密封圈剪應(yīng)力由外到內(nèi)層層均勻增大， 如圖7所示。

2 參數(shù)影響分析

密封圈裝配過(guò)程影響因素較多， 通過(guò)辨識(shí)， 對(duì)O形橡膠密封圈材料參數(shù)、 結(jié)構(gòu)參數(shù)、 摩擦系數(shù)和裝配滑動(dòng)速度進(jìn)行參數(shù)化仿真分析， 得到了各參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈裝配過(guò)程影響程度結(jié)果。 為方便模型間對(duì)比分析， 所有計(jì)算結(jié)果均為密封圈上最大剪應(yīng)力位置點(diǎn)隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)。

2.1 橡膠材料參數(shù)

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中， O形橡膠密封圈材料拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均有不同程度差異。 表觀(guān)上， 橡膠材料拉伸數(shù)據(jù)中同樣應(yīng)變條件下應(yīng)力越大， 則材料硬度越高。 為研究拉伸曲線(xiàn)對(duì)密封圈裝配過(guò)程影響， 對(duì)三種材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行了仿真對(duì)比， 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖8所示， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同。

橡膠硬度與材料拉伸曲線(xiàn)具有相關(guān)性， 相對(duì)來(lái)說(shuō)橡膠材料A表現(xiàn)高硬度、 橡膠材料B中硬度、 橡膠材料C低硬度。

圖9所示為三種材料的剪應(yīng)力-時(shí)間變化曲線(xiàn)。 從圖9可以看出， 材料A最大剪應(yīng)力高于材料B達(dá)2倍以上， 材料C也高于材料B， 因此材料力學(xué)性能曲線(xiàn)對(duì)裝配過(guò)程具有較大影響。 此外， 當(dāng)密封圈裝入密封面后， 殘余剪應(yīng)力也與材料力學(xué)曲線(xiàn)相關(guān)。 表現(xiàn)為材料A最大， 材料B最小， 材料C略大于材料B。 而殘余應(yīng)力對(duì)橡膠老化具有較大影響[13]， 因此， 為避免裝配過(guò)程中過(guò)高剪應(yīng)力以及橡膠材料過(guò)快老化， 應(yīng)選擇應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)適中的橡膠。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖4～5和圖9可知， 密封圈在筒體尖角c位置產(chǎn)生最大剪應(yīng)力， 因此對(duì)該尖角設(shè)計(jì)過(guò)渡圓弧并進(jìn)行仿真計(jì)算， 結(jié)果如圖10所示， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同。 由圖10可知， 過(guò)渡圓弧對(duì)降低剪應(yīng)力峰值有一定作用， 同時(shí)， 尖角c加過(guò)渡圓弧后， 剪應(yīng)力上升更為平滑， 有利于密封圈滑入密封面， 建議尖角c增加過(guò)渡圓弧。

2.3 摩擦系數(shù)

密封圈裝配過(guò)程中有一定的滑動(dòng)距離， 特別在滑入密封面時(shí)， 密封圈與筒體的摩擦可能對(duì)剪應(yīng)力最值產(chǎn)生影響。 因此， 對(duì)模型在不同摩擦系數(shù)下進(jìn)行了仿真分析， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同， 結(jié)果如圖11所示。 隨著摩擦系數(shù)的增大， 剪應(yīng)力極值出現(xiàn)在時(shí)間上逐漸后移， 且最大值隨著摩擦系數(shù)增大逐漸上升。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是密封圈與筒體摩擦越嚴(yán)重， 越不利于密封圈滑入密封面， 最大剪應(yīng)力在時(shí)間上表現(xiàn)滯后。 此外， 隨著摩擦系數(shù)的增加， 最大剪應(yīng)力顯著上升， 表明摩擦系數(shù)是裝配過(guò)程的主要影響因素。

為避免摩擦系數(shù)增加引起剪應(yīng)力上升， 在密封圈安裝前應(yīng)均勻涂抹潤(rùn)滑脂或采取其他潤(rùn)滑措施， 降低安裝過(guò)程剪切風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 裝配速度

密封圈裝配速度是又一種影響剪應(yīng)力的參數(shù)。 對(duì)三種裝配速度進(jìn)行仿真分析， 其他參數(shù)與1.1節(jié)相同， 結(jié)果如圖12所示。 結(jié)果表明， 裝配速度越快， 密封圈到達(dá)尖角c時(shí)的最大剪應(yīng)力上升越快， 峰值越大， 且速度到達(dá)一定時(shí)， 與尖角b接觸時(shí)剪應(yīng)力極值急劇上升， 量級(jí)接近與尖角c接觸時(shí)的剪應(yīng)力極值。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是密封圈在裝配過(guò)程中需要擠壓變形， 當(dāng)擠壓過(guò)快時(shí)， 密封圈來(lái)不及滑入密封面， 擠壓變形很大， 剪應(yīng)力快速上升， 這不利于對(duì)密封圈的保護(hù)。 因此， 密封圈擠入密封面時(shí)， 應(yīng)盡量降低進(jìn)給量， 避免剪切密封圈。

3 結(jié) 論

（1） 在滿(mǎn)足密封需要的情況下， 密封圈硬度太高或太低對(duì)裝配均不利， 且橡膠材料參數(shù)是密封圈殘余剪應(yīng)力的決定性因素。

（2） 筒體密封面的尖角c應(yīng)加工過(guò)渡圓弧， 該措施可降低密封圈最大剪應(yīng)力峰值， 且使剪應(yīng)力上升過(guò)程圓滑。 計(jì)算顯示， 圓弧越大， 最大剪應(yīng)力越小。

（3） 密封圈和筒體的摩擦系數(shù)對(duì)裝配過(guò)程最大剪應(yīng)力影響較大， 安裝過(guò)程中應(yīng)在密封圈外部均勻涂抹潤(rùn)滑脂或采取其他潤(rùn)滑措施， 以降低密封圈剪切的風(fēng)險(xiǎn)。

（4） 密封圈的軸向裝配速度對(duì)密封圈擠入密封面過(guò)程影響同樣較大， 速度越小， 剪應(yīng)力上升越慢， 速度越大， 剪應(yīng)力上升越快。 因此密封圈裝配時(shí)， 應(yīng)盡量降低裝配速度。

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Parameter Analysis of Assembling Rubber O Ring Based on Finite Element

Li Jiwei， Cao Junwei， Wang Guorui， Zhang Zeyuan

（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

Abstract： The assembling rubber O ring of a solid motor is simulated by using finite element software. The influence of the rubber material parameter， the friction coefficient between O ring and motor case， the axial velocity of assembling and the configuration parameter on the shear stress of the O ring are studied. As a result， the main factor on the maximum shear stress of the O ring is rubber material parameter， friction coefficient and the axial velocity of assembling.

Key words： solid motor； rubber O ring； assembling； finite element； hyper-elasticity