低温U形金属密封环密封性能分析及改进设计

　　为了研究不同结构参数对U 形金属密封环密封性能的影响规律，利用ABAQUS 软件建立某U 形金属密封环的二维轴对称模型，在常温预紧工况和低温工作工况下计算分析U 形密封环厚度、截面宽度、腿部厚度以及圆弧半径等结构参数对密封环最大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，将U 形环厚度增大为3. 8 mm、腿部厚度减小为0. 1 mm 时，U 形环密封性能提高; 取截面宽度在6. 4 ～ 6. 8 mm 之间、圆弧半径在0. 7 ～0. 9 mm 之间，均能获得较好的密封性。根据计算结果，针对加载后U 形密封环腿部出现翘曲的现象，提出了减小U 形环腿部右端高度的改进方法。

　　20 世纪60 年代初液氢液氧发动机开始在运载火箭上得到应用。由于液氢清洁和高能的特点，在未来的航天事业中，以液氢液氧为燃料的火箭发动机必将发挥更大的作用。然而由于火箭发动机上输送液氢液氧的管路密封面临着低温、高压及强烈震动等苛刻的操作环境，而液氢液氧又具有沸点低、渗透力和浸湿性强、易燃易爆等特性，少量泄漏都可能引起灾难性的爆炸，这就要求火箭发动机管路系统各连接部位保证“零泄漏”。国内外从20 世纪70 年代就开始针对金属密封做了一系列研究。

　　目前，常用的金属密封的形式主要有金属垫片、O 形环、C 形环、Ω 形环、E 形环、B 形环、三角垫密封等。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，而目前U 形密封环在国内仍较为少见。为了研究U 形金属密封环在航天动力机械中的应用，使其在低温、高压等苛刻工况下仍能够很好地满足密封要求， 本文作者利用ABAQUS 有限元分析软件，建立了U 形金属密封环的轴对称模型，分析了U 形密封环厚度C、截面宽度K、腿部厚度J 以及圆弧半径R 等结构参数对密封环最大Von Mises 应力、接触压力大小及其分布以及接触宽度的影响，并根据这些参数对U 形金属密封环密封性能的影响规律，对其结构进行了改进设计。

1、U 形金属密封环有限元模型的建立

　　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。图1 所示为某U 形密封环横截面结构示意图，表1 给出了该密封环的初始结构参数。实际工作中，U 形密封环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形密封环及上下法兰盘进行简化，得到如图2 (a)所示的有限元分析模型。采用标准化网格划分技术对各部件进行网格划分，划分好后的二维轴对称有限元模型如图2 (b) 所示，共13740 个单元，单元类型为CAX4R (4 节点双线性轴对称四边形减缩积分单元) 。

图1 U 形金属密封环截面结构示意图

表1 U 形金属密封环截面结构参数

图2 U 形密封环及法兰的平面轴对称有限元模型

2、结论

　　(1) 利用ABAQUS 软件建立了某U 形金属密封环的轴对称有限元模型，计算分析了厚度C、截面宽度K、腿部厚度J 以及圆弧半径R 等结构参数对密封环最大Von Mises 应力、接触压力大小及接触宽度的影响。提出了此U 形密封环的最佳结构参数范围，并针对其工作时产生不合理变形进行了结构改进，一定程度上改善了密封性能，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对该U 形金属密封环的设计和使用有一定的指导意义。

　　(2) 总体而言，原U 形环结构设计可以满足密封要求，但通过以下结构参数的优化均可进一步改善密封性能: 将U 形环厚度C 增大为3. 8 mm，腿部厚度J 减小为0. 1 mm; 取截面宽度K 在6. 4 ～ 6. 8 mm之间，圆弧半径R 在0. 7 ～ 0. 9 mm 之间。

　　(3) 针对加载后U 形密封环腿部出现翘曲致使高压介质填满左侧缝隙的现象，提出了结构改进方法。当将U 形环腿部右端高度尺寸减小0. 09 mm 时，密封环左端开始与法兰盘紧密接触，从而可以形成有效的密封，这对提高U 形密封环的强度和密封性能都有一定的好处。