低温U形金属密封环密封性能有限元分析

　　为了研究U 形金属密封环在不同工作条件下的密封性能，利用ABAQUS 软件建立某U 形金属密封环的二维轴对称模型，在静密封条件下计算分析U 形密封环初始压缩量、工作压力及工作温度等操作参数对密封环最大Von Mises应力、接触压力大小及其分布以及接触宽度的影响。结果表明，在工作工况下，U 形密封环上最大Von Mises 应力小于材料屈服极限，最大接触压力满足密封要求，且在低温条件下适当增大工作压力可以提高其密封性能。根据计算结果，提出此U 形密封环的极限工作条件，对该U 形金属密封环的设计和使用有一定的指导意义。

　　在液体火箭发动机的导管连接件中，对导管直径较大( 一般在25 ～ 30 mm 以上) 的部位采用法兰联接。法兰联接的关键问题是选用合适的密封形式，通常有平垫片和压力作用式两种类型。由于压力作用型密封元件在不同的压力、温度、介质和环境中都能获得可靠的密封效果，受到了科研工作者的重视。早在20 世纪70 年代，美国茜埃雷辛/汉里逊公司已开发出多种基体和镀层材料。2004 年，冯秀等人对2种材料不同尺寸的Ω 环模型进行了弹塑性计算，得到了各危险截面处的内压- 应变曲线，确定了各个模型的极限内压。2008 年，常洁和陈同祥计算了一种典型的法兰-O 形密封圈结构在特定压缩率下O形圈的力学性能参数，并讨论了摩擦因数等因素对密封性能的影响。2010 年，龚雪婷等采用ANSYS软件在给定工况下对W 形环的弹塑性变形进行分析，讨论了密封环操作参数和结构参数对密封性能的影响。2011 年，唐金涛等在分析一般O 形圈和Y 形圈密封原理的基础上，设计了一种新型的Y 形密封单元并成功用于多台数控机床液压平衡油缸的改造。2012 年，熊光明等针对CPR1000 反应堆压力容器使用的C 形密封元件，建立了实体模型、指环模型和当量圆筒模型3 类有限元分析模型并进行线弹性和弹塑性分析，结果表明基于中径的当量圆筒模型能更好地反映C 形密封环的性能。SSME( 美国普惠公司洛克达因分部为航天飞机设计的主发动机) 使用了由镀银的镍基材料制成的“U”形压力作用式密封元件，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研发现国内对U 形金属密封环密封性能的研究极少。

　　本文作者利用ABAQUS 软件建立了某U 形环的二维轴对称有限元模型，计算了U 形金属密封环在预紧工况和工作状态下所受的Von Mises 应力及密封面上的接触压力的分布情况，分析了预压缩量、工作压力及工作温度等操作参数对密封接触面最大VonMises 应力、接触压力大小及其分布以及接触宽度的影响规律，提出了此U 形密封环的极限工作条件，对该U 形金属密封环的设计和使用有一定的指导意义。

1、U 形金属密封环有限元模型的建立

　　如图1 所示，U 形金属密封环是一个安装在上下法兰之间的三维轴对称实体。工作时，不仅受到上下法兰的压紧力，还受到管路内部的介质压力，而这些作用力是关于管路中心线对称的。因此，采用平面轴对称模型对U 形密封环实体进行简化，建立了U 形密封环某截面的二维轴对称模型。对上下法兰盘采取同样的简化方法，从而得到如图2( a) 所示的有限元分析模型。

图1 U 形金属密封环安装及结构示意图

图2 U 形密封环及法兰的轴对称有限元模型

2、结论

　　(1) 对比常温预紧工况和低温工作工况下U 形环上Von Mises 应力分布及接触压力分布情况可知，低温工作条件下，U 形环上应力分布趋于均匀，且最大接触压力值更大，表明工作压力的作用引起U 形环腿部发生回弹使其具有了更好的密封能力。但接触压力都只分布在U 形环与法兰接触面上很窄的区域内，靠近内侧介质的部分U 形环并没有与法兰面接触，这不利于密封，可以通过对U 形环腿部结构的改进解决。

　　(2) 分析了初始压缩量、工作压力和工作温度对U 形金属密封环密封性能的影响，得到了该密封环最佳初始压缩量为0.30 ～ 0.40 mm，最大工作压力为26MPa，而由于GH4169 材料具有良好的低温性能，该密封环在- 183 ℃甚至更低的- 253 ℃都可以满足密封要求。