帶錐形墊片管接頭密封結構的有限元仿真分析

彭富霞 滕官宏偉

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002；3.陸軍裝備部駐株洲地區航空軍代室，湖南株洲 412002）

0.引言

為了實現航空發動機的正常運行，一般需要設計管路系統，將航空發動機各部件之間、附件之間、部件與附件之間以及航空發動機與飛機之間相互連接，輸送規定的介質（如燃油、滑油等）。管路系統一般包括導管組件、連接件、支架、卡箍等，目前，常見的管路連接件有74°擴口式管接頭密封結構和24°無擴口式管接頭密封結構，關于這兩種管路連接密封結構研究較多，具有較高的技術成熟度。

在航空發動機實際應用中，由于溫度、振動、介質壓力等環境因素的影響，“跑、冒、滴、漏”問題時常發生。為了解決這一問題，近年來，不斷有新的管接頭密封結構出現，不同的研究學者進行了相關研究分析。陳芝來[1]介紹了一種梁式密封連接結構，并對密封機理進行有限元仿真分析。駱青業等[2]研制了一種37°及60°球面密封接頭增加錐形墊片的改進結構，并在工程實踐中成功應用。黃其殷等[3]介紹了液氧煤油發動機管路中廣泛應用的軟金屬密封結構，并用Nastran進行數值仿真分析。本文介紹了一種在航空發動機軸承座與管路連接處應用的帶錐形墊片管接頭密封結構，并通過ANSYS有限元分析軟件，建立密封結構接觸加材料彈塑性變形有限元模型，對其密封機理及密封性能進行仿真分析。

1.密封結構組成

帶錐形墊片管接頭密封結構如圖1所示，包括帶74°管接頭的管路、錐形墊片2個零件組成。帶錐形墊片管接頭密封結構的密封機理為，通過螺紋施加預緊力，迫使錐形墊片發生彈塑性變形，填充錐面上的凹凸不平，從而阻止介質通過密封面。這種結構常用在航空發動機的熱端軸承腔供、回油及通風管路與軸承座連接處，也可用在高壓介質下的外部管路連接處。

圖1 帶錐形墊片管接頭結構示意圖

另一種常見的用于軸承座與管路密封的結構是石墨密封結構，由石墨密封環和帶接頭的管路組成，通過管路擠壓石墨密封環實現密封。

與石墨密封結構相比，在工程應用中發現帶錐形墊片管接頭密封結構有以下優勢：

（1）管路通經應用范圍廣，石墨密封環的加工難度大，錐形墊片更易實現從小通徑管路到大通徑管路的應用。

（2）維護性好，石墨密封環易損，拆裝均需工裝實現，錐形墊片鎖緊在管接頭上，只需擰緊即可，裝配性更好，更易維護。

（3）經濟性好，石墨密封環的價格高，需要特殊定制采購，錐形墊片只需普通軟金屬帶材沖壓而成，經濟性更好。

（4）具有良好的抗振性，在壓緊力作用下，錐形墊片發生彈塑性變形，填充錐面上的凹凸不平，從而使管接頭和軸承座形成一個緊密的整體，可在管路另一頭設置專門的放松裝置，避免因振動而導致回彈發生泄漏。

2.有限元仿真模型建立

本文選擇公稱外徑為10mm的帶錐形墊片管接頭密封結構為研究對象。

2.1 材料模型

軸承座材料為K4163，彈性模量E=186Gpa，泊松比μ=0.3，屈服強度σ0.2=935MPa；管接頭材料為GH4169，彈性模量E=204Gpa，泊松比μ=0.3，屈服強度σ0.2=1030MPa；錐形墊片為帶N6-M，彈性模量E=207GPa，泊松比μ=0.3，屈服強度σ0.2=59MPa，查閱資料，獲得N6-M的應力-應變參數如表1所示。由于K4163和GH4169的屈服強度遠大于N6-M屈服強度，因此，在計算中K4163和GH4169使用彈性本構模型，N6-M材料特性采用彈塑性本構模型。

表1 帶N6-M材料應力應變數據

2.2 數值模型

由于計算主要分析的是帶錐形墊片管接頭密封結構的變形和接觸應力，故將模型簡化為只有管接頭、錐形墊片和安裝接口的軸對稱模型，并忽略管接頭與安裝接口之間的螺紋。取1/4簡化模型進行網格劃分，采用ANSYS中六面體單元，網格尺寸量級選取0.5mm，為了較準確計算錐形墊片接觸面的變形和應力，錐形墊片與管接頭、安裝接口接觸面附近網格尺寸量級取0.1mm。

2.3 邊界條件及載荷

2.3.1 邊界條件

在軸承座安裝接口處添加固定約束，在1/4模型的對稱面添加對稱約束。

2.3.2 定義接觸對

施加在管接頭與安裝接口螺紋副的擰緊力矩使錐形墊片與安裝接口之間產生有效的接觸密封面。采用ANSYS里的suface-suface接觸，定義錐形墊片與安裝接口之間為摩擦接觸，摩擦系數均取0.15，錐形墊片與管接頭、管接頭與安裝接口之間為綁定接觸。

2.3.3 載荷

帶管接頭錐形墊片密封結構的載荷包括螺紋副連接產生的軸向力和流體的壓強。由于本案例管路系統介質壓力僅為0.2MPa，為便于計算分析，忽略不計流體的壓強，僅考慮軸向力的影響。

螺紋副連接產生的軸向力F由擰緊力矩T來實現，依據螺紋連接的受力分析，擰緊力矩與軸向力的計算公式為：

式中，d2—螺紋中徑（mm）；

λ—螺紋升角（°）；

φ—螺旋副的當量摩擦角（°）。

對于公稱外徑為10mm的管路，螺紋規格為M16×1，參考HB4-1，擰緊力矩暫定為（27～36）N·m，選取暫定范圍內4個點，運用計算公式得到軸向力載荷如表2所示。

表2 帶錐形墊片管接頭密封結構連接載荷

3.仿真結果分析

3.1 結構等效應力分析

經過有限元仿真分析，帶錐形墊片管接頭密封結構在施加了27N·m、30N·m、33N·m、36N·m 4個擰緊力矩狀態下的等效應力分布如圖2所示。

圖2 不同擰緊力矩下結構等效應力分布云圖

從圖中可以看出，在不同的擰緊力矩下，密封結構的應力分布趨勢一致，最大應力范圍在383MPa～508MPa，與管接頭和軸承座的屈服強度相比，裕度較大，零件結構不會受破壞。錐形墊片的最大應力已遠超過材料的屈服極限，沿密封面出現塑性變形，仿真結果也進一步地驗證了，錐形墊片使用彈塑性建模的必要性。

3.2 接觸應力分析

利用ANSYS的接觸對分析，提取在27N·m、30N·m、33N·m、36N·m 4個擰緊力矩狀態下的接觸應力分布如圖3所示。

圖3 不同擰緊力矩下錐形墊片接觸應力分布云圖

從圖3中可以看出，隨著擰緊力矩的增大，最大接觸應力逐步增大，且相應的符合密封條件的接觸應力區域也逐漸增寬。為準確得到接觸應力與密封寬度的對應曲線，將錐形墊片沿線上各節點的接觸應力提取出，以錐形墊片小直徑為起始點，形成接觸應力與接觸長度的關系曲線，如圖4所示。

圖4 不同擰緊力矩下錐形墊片接觸應力分布云圖

從圖4中的曲線中可以看出，接觸應力在錐形墊片的0.2mm到2.0mm長度范圍內呈線性遞增。計算密封面寬度時，認為產生塑性變形的節點對應位置是接觸的，由此得出，在（27～36）N·m的擰緊力矩范圍內，錐形墊片與安裝接口之間形成密封面寬度為1.4mm～1.9mm，顯然，與標準規定的不小于1.5mm的密封寬度相比，不符合密封要求。

在實際應用過程中，管路熱變形、機械變形以及振動等原因也會導致擰緊力矩的衰減。因此，對于帶錐形墊片管接頭密封結構來說，參考HB4-1來選取擰緊力矩，是不符合密封要求的，工程實際中應給更大的擰緊力矩。

4.結論

本文介紹了一種新型帶錐形墊片管接頭密封結構，對比了該結構與石墨密封結構的工程應用優勢，分析了帶錐形墊片管接頭密封結構的密封機理，基于ANSYS建立了1/4數值模型，參考HB4-1選取擰緊力矩，計算（27～36）N·m擰緊力矩下管接頭密封帶寬度，經與密封標準相比，此擰緊力矩偏小，為帶錐形墊片管接頭工程使用時擰緊力矩的確定，提供了參考和依據。