基于Ansys的艦用大尺寸異形密封圈雙向密封性能數值研究

石邦凱，鄧茹風，李桂菊

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

密封結構是有密封要求的艦船設備的重要組成部分。密封的有效性對設備的性能有著較大影響，而密封圈多利用經驗進行設計，之后通過試驗驗證密封性能，該方法難以滿足現代精確設計的要求[1]。近年來，隨著計算機技術的發展，運用有限元分析的方法開展密封性能的仿真研究越來越普遍[2–5]。本文運用有限元分析軟件Ansys對密封圈的密封性能進行仿真計算，根據仿真結果判斷密封的有效性，為密封圈和密封結構的設計提供支撐。

1 密封結構設計

某艦用設備密封結構示意圖如圖1所示，其主要由底座、異形密封圈、壓板、螺釘及壓環組成。密封圈通過壓板和螺釘緊固在底座之上，密封圈與壓板之間壓縮接觸，實現密封。該密封結構存在2個密封位置，實現雙向密封，下密封位置阻止壓環右側海水泄漏至其左側，上密封位置阻止壓環左側海水泄漏至其右側，雙向海水密封壓力均為0.2 MPa。

由于壓環和密封圈尺寸均較大，長度方向為4 m左右，且壓環厚度不大，并采用焊接方式與其基座固聯，難以較為精確地保證壓環與密封圈之間的相對距離，這就大大增加了完全密封的難度。若要實現雙向完全密封，密封圈需要能夠有效應對配合誤差，為此，設計如圖2所示的異形密封圈，其擁有2個密封舌，能夠對2個位置進行密封，且密封圈設計標準壓縮量為6 mm（大密封舌水平方向），允許有±2.5 mm的偏差，即密封圈最小壓縮量為3.5 mm，最大壓縮量為8.5 mm。

2 密封結構有限元建模

2.1 材料模型

密封結構中壓環為不銹鋼，其特性參數為：

1）彈性模量E=1.9×1011Pa；

2）泊松比u=0.3。

密封圈為丁晴橡膠（NBR），采取2參數的Mooney-Rivlin模型來模擬其力學性能，其特性參數為：

1）彈性模量E=6.9×107Pa；

2）泊松比u=0.499；

3）Mooney-Rivlin 模型系數C10=1.87×106Pa，C01=0.47×106Pa。

2.2 假設條件

計算建模時簡化假設如下：

1）不考慮海水溫度變化對密封圈的影響；

2）不銹鋼的彈性模量值遠遠大于橡膠，假設壓環為剛體；

3）橡膠材料各向同性且均勻連續。

2.3 計算模型

依據上述假設，對密封圈進行有限元建模，模型尺寸以m為單位，應力以Pa為單位。密封圈采用二維實體單元PLANE182，接觸采用目標單元TARGE169和接觸單元CONTA172，其有限元模型如圖3所示。

2.4 邊界條件和載荷

安裝時通過螺釘和壓板將密封圈緊固在底座上，預緊力非常大，在與壓環壓縮過程中不會發生移動，因此，密封圈與底座及壓板接觸部位添加全約束。密封圈的變形通過壓環的移動實現接觸進行約束。

密封圈承受的載荷主要有3種：第1種是安裝狀態下壓環壓縮密封圈；第2種是密封圈被壓環壓縮狀態下，上部施加0.2 MPa密封壓力；第3種是密封圈被壓環壓縮狀態下，密封圈下部施加0.2 MPa密封壓力，如圖4所示。

2.5 密封性能判定

密封圈的密封性能的判定主要采取密封面的接觸應力作為考察因素，對于一個密封結構而言，接觸應力的大小是保證密封性能的關鍵因素，只要接觸壓力大于密封壓力，則可實現密封，且接觸壓力大于密封壓力的接觸區域越大密封效果越好。

3 計算結果及分析

3.1 安裝壓縮下仿真結果及分析

安裝壓縮預緊狀態下計算密封圈壓縮量3.5 mm，6 mm及8.5 mm時的接觸壓力，結果如圖5所示。

由圖5計算結果分析可知，壓縮量3.5 mm，6 mm，8.5 mm時上下密封位置的最大接觸壓力均大于0.2 MPa，理論上均能夠實現較好的密封，但施加密封壓力后密封圈受力狀態與壓縮預警狀態不同，需要進行進一步計算以確定其在密封壓力作用下具有較好的密封性能。此外，壓縮量從3.5 mm變化至8.5 mm過程中，最大接觸壓力先減小后增大，但隨著壓縮量的增加，上下密封位置處接觸壓力能夠達到0.2 MPa以上的區域明顯增大，即壓縮量越大，密封效果越好。

3.2 上部施加密封壓力下仿真結果及分析

在密封圈上部施加密封壓力時，對密封圈壓縮量3.5 mm，6 mm，8.5 mm等工況進行仿真計算，計算結果如圖6所示。

由圖6計算結果分析可知，密封圈施加上部密封壓力后，壓縮量為3.5 m，6 mm，8.5 mm時，上密封位置處最大接觸壓力大于0.2 MPa，能夠實現密封；隨著壓縮量的增加，上密封位置處接觸壓力能夠達到0.2 MPa以上的區域明顯增大，即壓縮量越大，密封效果越好；相比較于沒有施加密封壓力的工況，密封圈上部施加密封壓力后，上、下密封位置處的最大接觸壓力均變小，上密封位置處接觸壓力變化較大，下密封位置處的最大接觸壓力變化較小。

3.3 下部施加密封壓力下仿真結果及分析

在密封圈下部施加密封壓力時，對密封圈壓縮量3.5 mm，6 mm，8.5 mm等工況進行仿真計算，計算結果如圖7所示。

由圖7計算結果分析可知，密封圈施加下部密封壓力后，壓縮量為3.5 m，6 mm，8.5 mm時，下密封位置處最大接觸壓力大于0.2 MPa，能夠實現密封；隨著壓縮量的增加，上密封位置處接觸壓力能夠達到0.2 MPa以上的區域明顯增大，即壓縮量越大，密封效果越好；相比較于沒有施加密封壓力的工況，密封圈下部施加密封壓力后，上、下密封位置處的最大接觸壓力均變大，上密封位置處的最大接觸壓力變化較小，下密封位置處的最大接觸壓力變化較大。

4 結 語

本文運用有限元仿真計算的方法分析了密封圈在不同壓縮量及密封壓力工況下的密封性能，得出以下結論：

1）異形密封圈在允許壓縮范圍內隨著壓縮量的增加，能夠實現密封的區域面積隨之增加，即設計范圍內的密封圈壓縮量越大，密封效果越來越好；

2）本文設計的異形密封圈在壓縮量變化較大時，密封圈與壓環的最大接觸壓力均大于要求的密封壓力0.2 MPa，能夠實現大尺寸密封結構在較大配合誤差工況下的雙向密封，驗證了密封結構設計的合理性；

3）本文所采用的仿真計算方法能夠為其他密封圈密封性能的數值計算提供參考，仿真結果能夠為其他大尺寸密封結構的設計提供指導。

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