软金属密封结构密封性能数值仿真研究.pdf

第 3 8卷 第 3 期 2 0 1 2年 6月 火箭推进 J OURNAL OF ROC KE T P ROP UL S I ON Vo 1 38 ，N o 3 J u n 2 0 1 2 软金属密封结构密封性能数值仿真研究 黄其殷 ，白旭 东，李妙婷 ( 西安航天动力研 究所 ，陕西 西安 7 1 0 1 0 0 ) 摘 要 ：针对液氧煤油发动机管路 中广泛应用 的软金属 密封结构 ，采用单边接触模型和 材料弹塑性模型相结合的方法，通过有限元软件 N a s t r a n隐式非线性模块对其进行数值仿真。 得到并分析了结构应力、位移及接触应力等相关参数。结果表明，软金属密封结构在 4 5 M P a 内压下，结构强度满足使用要求，密封面接触应力大于3 0 0 M P a ，密封安全系数大于 1 6 7 。 关键词 ：软金属 ；密封；数值仿真；非线性模块 中图分类号 ：V 4 3 4 1 3 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 2 9 3 7 4 f 2 0 1 2 )0 3 0 0 2 9 0 5 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f s o f t me t a l s e a l i n g p e r f o r ma n c e H UANG Q i y i n ， B AI Xu d o n g ， L I Mi a o - t i n g ( Xi a n A e r o s p a c e P r o p u l s i o n I n s t i t u t e ， X i a n 7 1 0 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a ： T h e s o ft me t a l s e a l i n g s t r u c t u r e wi d e l y u s e d i n L OX k e r o s e n e r o c k e t e n g i n e wa s n u me r i c a l l y s i mu l a t e d b y me a n s o f t h e Na s a n i mp l i c i t n o n l i n e a r mo d u l e an d t h e me tho d wh i c h t o m bi n e s t h e c o n t a c t m o d e l a nd ma t e r i a l e l a s t i c p l a s t i c mo d e 1 Th e r e l e v a nt p a r a me t e r s s uc h a s s t r u c tur e s t r e s s ， d i s p l a c e me n t ， c o n t a c t s t r e s s a n d S O o n a r e an a l y z e d T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e s o ft me t a l s e a l i n g s t r u c t u r e c a n s a t i s f y t h e r e q ui r e me n t o f a pp l i c a t i o n wh e n i t i s a t t h e p r e s s ur e o f 4 5 MP a ， t h e c o n t a c t s t r e s s o f t h e s e a l i n g s u r f a c e i s a b o v e 3 0 0 MP a ， a n d t h e s e a l i n g s a f e ty f a c t o r i s mo r e t h a n 1 6 7 Ke y wo r d s ： s o f t me t a l ； s e a l i n g ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n ； n o n l i n e a r mo d u l e 0 引言 由于发动机工作条件十分恶劣 ，在其工作条 件下应满足密封无泄漏 、结构可靠 、质量小 、拆 卸方便 、制造成本低 、互换性好及多次使用 的要 求【 l J 。软金属密封结构应用 于高压补燃循环液氧 煤油发动机的高压气路和高压液路接头 ，其密封 可靠性是确保发动机 正常工作的重要基础之一 。 较 以往发动机球面密封结构 ，软金属密封结构通 过采用不同材料 的密封垫 ，适用于一 1 9 0低温液 氧 、常温燃料及 5 0 0高温燃气等工作环境 ，在 使用中表现 出良好操作性 、密封性及抗震性。 国内外学者通过商业有限元软件 A B AQ U S和 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 1 6 ；修 回 日期 ：2 0 1 2 0 5 1 8 基金项 目：国家 “ 8 6 3 ”项 目( 2 0 0 5 A A 7 2 2 0 6 3 ) 作者简介：黄其殷( 1 9 8 3 -) ，男，助理工程师，研究领域为液体火箭发动机总体设计 万方数据 火 箭推 进 2 0 1 2年 6 月 A N S Y S对航天器氧系统和燃料系统管路密封结构 密封性能进行 了仿真分析 。针对软金属密封结 构 ，将通过有限元软件 N A S T R A N隐式非线性模 块 ，建立起软金属密封结构接触 和材料弹塑性有 限元模型 ，并对其密封机理和密封性能进行仿真 分析。 1 密封结构组成 软金属密封结构如图 1 所示 ，包括凹台阶接 头 、软金属密封垫 、凸台阶接头及外套螺母 4个 零件 ，在 凹台阶接头和凸台阶接头密封面上开有 v型密封槽 。 常用 的球面密封结构如 图 2所示 ，由凹球面 接头、外套螺母及凸球面接头组成。 1 一 凸台阶接头；2 - 密封垫；3 - 凹台阶接头；4 - 外套螺母 图 1 软金属密封结构 F i g 1 C o n fi g u r a t i o n o f s o f t me t a l s e a l 1 2 1 一 凹球面接头；2 - 外套螺母；3 - 凸球面接头 图 2球面密封结构 F i g 2 C o nfi gu r a t i o n o f s p h e r i c a l s e al 与球面密封相 比，在工程应用 中发现软金属 密封具有以下优点 ： 1 )使用温度范围广 ，可在一 1 8 2 o C 液氧温度 ， 5 0 0富氧燃气环境下正常工作 ； 2 )管路通径应用范围广 ，从 4 m m小通径管 路到 3 2 m m通径管路均可保证可靠密封 ； 3 )重复使用性强 ，软金属强度远小于接头 强度，不会损伤接头密封面，因此每次拆装只需 更换密封垫即可多次重复使用 ； 4 ) 良好的加工性 ，软金属密封结构中 ，凸、 凹台阶接头的配合面较长，在装配时起导向作 用 ，可防止因装配偏差造成密封垫受力不均而影 响密封性能 ，不需要特殊精加工 ； 5 ) 良好的抗震性 ，密 封垫塑性变形后 ，填 充导向配合间隙，使凸 、凹台阶接头配合非常紧 密 ，整个密封具有 良好的抗震放松能力。 2 数值模型与计算方法 凹台阶接头、凸台阶接头及外套螺母材料为 高 强 不 锈 钢 ，弹 性 模 量 E= 2 1 0 G P a ，泊 松 比 x = 0 3， 0-o 2 = 9 8 0 MP a ；软金属密封垫为经退火处 理 的工业纯铝 L 4 ，弹性模量 E = 7 0 G P a ，泊松 比 x = 0 2 7 ，屈服应力小 于 5 0 MP a 。由于不锈钢屈服 强度远大于纯铝屈服强度，因此 ，在计算中不锈 钢材料使用弹性本构模型 ，L 4材料特性采用弹塑 性本构模型 ，接触计算采用单面接触模型 。 三维弹塑性接触问题控制方程为： 平衡方程 d i + = O ( 1 ) 几何方程 d e i = ( d u iJ + d u j ，i ) ( 2 ) 弹塑性本构模型 d o = D ijl【1 ( d e + 占 ： ) ( 3 ) V o n Mi s e s 屈服准则 ( ，k 。 ) = 1 ( 一 ) 2 + 0-7 -1 B ) + 0 - m ) 2 一 = o ( 4 ) 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据