长寿命航天器结构密封性能仿真分析研究

常洁 陈同祥

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

长寿命航天器结构密封性能仿真分析研究

常洁 陈同祥

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

硅橡胶密封圈的力学性能会随着工作时间的增加而发生退化，本文首先初步分析硅橡胶的热氧老化机理，然后对硅橡胶材料在热氧加速老化试验前后的特性参数进行分析对比，并借助非线性有限元分析软件ABAQUS对由该种材料制成的O形圈老化前后的最大接触应力等力学参数进行分析计算，最后讨论了这些参数变化对结构密封效果的影响。本文的研究结果可为长寿命密封圈设计提供参考。

航天器结构；硅橡胶密封圈；热氧老化；有限元分析；接触应力

1 引言

对于有密封要求的航天器来说，密封性能好坏直接影响到它的正常运行。由于密封技术本身的难度，再加上在轨空间环境的复杂性，密封失效的概率也比较高，航天史上约有50%的重大故障与密封泄漏有关。1971年，苏联的联盟11号飞船完成了与礼炮1号的对接任务后返回，返回舱和轨道舱分离后，因密封失效，返回舱内压力突降，最终导致3名航天员窒息而亡。此外，发生在1986年的美国挑战者号航天飞机爆炸失事也是由于运载火箭的密封圈失效导致。由此可见密封对于航天器而言有着至关重要的意义。

随着我国载人航天技术的飞速发展，以空间站为代表的航天器寿命要求长达十几年，结构长寿命、尤其是密封圈长寿命问题，将会是影响型号成败的关键因素。作为一种非金属材料，橡胶密封圈的老化不可避免。老化后材料的弹性模量、硬度、拉伸强度等均发生了改变，致使影响密封性能的密封圈接触应力等力学参数也发生了退化，最终将会导致密封结构漏率增加。

国内外有很多学者对航天器所用橡胶材料本身的老化特性进行了研究，包括了材料老化机理、加速老化试验方法、寿命预测等方面[1-3]，一般都是通过对材料进行高温加速、辐照等方法，对材料的老化性能进行研究，同时也利用有限元分析软件对对密封圈工作时的力学状态进行了分析，研究了密封接触应力、接触长度等参数[4-5]。

对于航天器结构使用密封圈而言，其工作状态是一直被压缩在法兰盘里，影响其老化的主要影响因素是温度和机械压缩力，在这两种因素共同作用下，随着航天器在轨服役时间增加，密封圈工作时的密封接触应力等参数有着怎样的变化，这方面的研究工作并不多。因此，目前的航天器结构应用密封圈的长寿命设计也大多停留在对密封材料的研究阶段。

本文将利用目前载人航天器中一种常用的硅橡胶密封圈的加速老化试验数据，通过有限元法定量地分析长期处于压缩状态的密封圈老化前后的力学性能变化情况，这对航天器结构使用长寿命密封圈设计有借鉴意义。

2 硅橡胶老化机理

2.1橡胶材料老化影响因素

橡胶是一种高分子材料。从宏观上说，橡胶的老化是指橡胶的表面出现龟裂，材质变脆，或者是发生了应力松弛、蠕变等；从微观上说，是橡胶分子或分子之间发生了断裂、氧化和交联，导致材料的力学特性发生了改变，其中包括硬度、拉伸强度、压缩永久变形等变化。即使在橡胶材料的制配过程中，我们能加入防老剂等来延缓材料的老化，但是这种老化带来的性能退化还是不能避免的。橡胶的老化与它的具体化学结构有着直接的联系，当然也离不开外部因素的影响。这些外部因素可以大致分为物理因素和化学因素。常见的物理因素是热、光、机械应力，化学因素有氧、臭氧等。橡胶是一种高聚物，且各种不同橡胶的化学组成不一样，老化既是物理过程又是化学过程，目前还没有一个准确地描述橡胶老化机理的理论。

对于在航天器使用的硅橡胶密封圈而言，它还会受到原子氧、紫外辐照、带电粒子等空间环境的作用，但由于密封圈装配于密封槽内，金属基体的法兰会屏蔽绝大部分空间环境粒子的作用，密封圈的老化受这些环境因素影响相对较小。在有密封要求的航天器中，其内部密闭着一定压力的空气，因此造成密封圈在空间工作过程中老化的主要环境影响因素是热和氧气。

2.2硅橡胶的热氧老化

在热氧老化过程中，热促进了橡胶的氧化，而氧促进了橡胶的热降解[6]。作为一种无机弹性体，硅橡胶的耐氧化能力是比较强的。与天然橡胶的主链中含有不饱和的C=C键不同，硅橡胶的主链是Si-O键，侧链为甲基、苯基、乙烯基等有机基团，因此它不易像天然橡胶一样发生自由基链式自催化氧化反应。但如果是长期暴露于空气中，或者是与氧气接触，氧化作用还是会发生。尤其是有外界因素同时作用下，如在太空中工作的密封圈，会受到紫外线、电子辐照等影响，此时氧化作用大大加剧。氧化作用开始只发生在橡胶制品的外表层，并使表面层发生脆化，随着反应的不断深入，材料内部也会有逐步氧化的危险。氧化的直接后果就是造成分子链的断裂、分子链之间的交联等等，从宏观上说，有可能导致橡胶变硬、龟裂等。下面是二甲基硅橡胶的一种氧化机理[7]：

从上面的分子反应式中看出，它与氧气发生热氧老化后，侧链的部分甲基已经被氧化了，分子之间还出现过度交联的现象，硅橡胶分子的结构也就发生了改变。

3 热氧老化对材料力学性能的影响

为了更好地研究硅橡胶密封圈在老化后的力学特性，对材料进行烘箱加速老化试验，并对材料的硬度、拉伸强度、压缩永久变形等力学参数进行分析。

3.1硬度变化

硬度表征的是材料抵抗压缩变形的能力。橡胶是一种高分子材料，硬度的大小与其分子结构有着直接的关系，按照Flory硫化胶网络结构理论，橡胶分子量越大，游离末端越少，有效链数越多，橡胶的硬度值也越大[8]。并且随着交联密度的增大，硬度会呈线性增加的趋势。一般普通的天然硫化胶，由于主链上含有大量不饱和的碳碳双键(C=C)，在其热氧老化过程中，很容易被氧化并造成交联键的断裂，而硅橡胶的主链上是硅氧键 (Si-O)，因此它在老化的过程中不会轻易发生键断裂的情况，相反地，还有可能会出现各大分子之间的继续交联现象，图1中给出的55硬度硅橡胶材料老化后硬度变化的试验数据也证明了这一点。

图1 硅橡胶的邵尔硬度值随老化时间的变化曲线图

3.2拉伸强度变化

橡胶的拉伸强度表征的是材料抵抗拉伸破坏的极限能力。材料的拉伸断裂主要有两种形式：一是加载的外力大于分子间的相互作用力时，会产生分子间的滑动而使材料破坏；二是分子主键的化学键能遭到破坏而使材料开裂。分子量越小，分子间的作用力也小，易产生分子间的滑动，从而造成开裂破坏。因此拉伸强度一般随分子量的降低而减小。另外，对硬度值较低的硫化橡胶而言，拉伸强度会随着交联密度的增加而增大，并出现一个极大值，然后随着交联密度的进一步增加，拉伸强度急剧下降。从图2中55硬度硅橡胶材料老化数据看出，虽然拉伸强度值在老化过程中有波动，但是总的趋势是下降的。

图2 硅橡胶的拉伸强度随老化时间的变化曲线图

3.3压缩永久变形变化

对于密封圈而言，压缩永久变形越小，其回弹力就越大，密封效果也就越好。压缩永久变形反映的是受压状态下的橡胶在卸载之后的复原能力。它与弹性是密切相关的，而分子链的柔性越大，弹性就越好。在橡胶的热氧老化过程中，随着材料分子不断地被氧化、裂解，以及分子间过度地交联都会造成分子链的活动受阻，从而使弹性下降，压缩永久变形也会大大增加。图3给出的是在55硬度硅橡胶在某一老化温度下压缩永久变形量随时间的变化图。

图3 硅橡胶的压缩永久变形随老化时间的变化曲线图

4 老化前后硅橡胶O形圈的有限元分析

老化前后材料硬度、拉伸强度、压缩永久变形的变化只表征材料特性，对于用该种橡胶材料制成的密封圈而言，在使用中更关心的是与密封性能相关的力学性能的变化，如密封圈与法兰之间的接触面宽度、接触应力等，这些需要在研究材料参数变化的基础上借助非线性分析软件建模并计算得到。

4.1计算模型

利用分析软件ABAQUS对密封圈建模分析，并基于如下三条假设：

(1) 航天器密封结构的法兰，一般的材料是铝合金，弹性模量在70 GPa左右，而作为密封圈的橡胶材料，一般的弹性模量仅为0.008 GPa左右，这两者相差近万倍。因此在分析O形圈的力学特性时，可以将法兰视为刚体，只需考虑密封圈的变形。

(2) 橡胶的泊松比接近于0.5，在分析中当作不可压缩材料处理。

(3) 无论是密封圈、上下法兰还是边界条件等等，都是关于中心轴对称的，在建模时便可以采用二维的轴对称模型。

基于上面的基本假设，建立如图4所示的几何模型。本次分析的O形圈的名义压缩率为25%。密封圈的内径φ=200 mm，截面直径d=6 mm，密封槽宽b=7.2 mm，深h=4.5 mm。

图4 O形密封圈装配截面图

老化前后O形圈的分析模型类似，产生变化的是下面两部分：

(1)O形圈截面形状的变化。老化前的O形圈的截面直径是6 mm，老化到一定程度时，由于其一直处于受压缩的状态，因此在热氧老化过程中发生了不可逆的塑性变形。通过对老化前后的密封圈的截面尺寸进行测量可知，其截面不再是圆形，而是变成了类似椭圆的不规则形状，如图5所示。

图5 O形圈老化前后的截面变化图

(2)材料参数的变化。由于不能直接对密封圈进行材料试验，因此，这里提到的密封圈的材料参数，是指硅橡胶试验试件在经历相同的老化条件(一定高温、一定时间)后进行单轴压缩试验得到的应力应变曲线，如图6所示。ABAQUS在利用这些应力应变曲线后会依据选择的本构模型拟合得到相应的材料系数，作为下一步分析的输入。

我们再对O形圈进行网格划分，定义上下法兰与密封圈的接触关系，并设定上法兰向下压缩的分析步骤，就可以得到老化前后O形圈的有限元分析结果。

图6 O形圈老化前后的材料应力-应变曲线变化

4.2老化前后的有限元计算结果对比

对于一个密封结构而言，接触面之间应力的大小是保证密封的关键因素。应力越大就越能保证密封效果。图7给出了通过软件计算后的密封接触面——包括顶部和侧面的接触应力分布。

图7 O形密封圈接触应力分布图

从图中看出，应力最大的区域出现在顶部的中间位置，越靠近两边、应力值越来越小。

O形密封圈在老化后，接触应力分布趋势与老化前的一致。计算结果详见表1。

表1 O形圈老化前后的计算值比较

表1的数据中，首先，密封面的接触宽度值变小了，意味着气体沿界面泄漏的可能性增加。另外，可以明显看出，O形圈在老化后的接触应力大大地降低了，这说明发生了不可逆的化学应力松弛现象。其原因是在热、氧、机械应力等众多因素作用下，密封圈发生了不可逆的塑性变形，密封圈截面会变得越来越扁，此时的实际压缩率也就降低了。另外，在老化过程中，密封圈的材料特性也发生了一定的变化，分子主链的断裂、氧化等都直接导致橡胶材料回弹能力的降低，这些都是导致最大接触应力值降低的最主要因素。

从上面的计算结果可知，在25%的压缩率下，该种硅橡胶O形圈在老化后接触应力由2.14 MPa降低至1.49 MPa。这样也定量地找到了这种航天器结构使用硅橡胶密封圈在一定时间后，其工作状态下的密封接触应力的剩余值。而密封接触应力值的大小是反映密封效果好坏的关键指标(根据《真空设计手册》[9]，密封面的接触应力大于1.3 MPa时就可以满足密封的要求)，由此可评估该种密封圈的使用寿命。

5 结论

对于任何一种航天器结构的橡胶密封圈而言，老化是不可避免的，而老化的程度、老化后密封圈力学特性表征方法、密封圈使用寿命等问题还研究尚少。本文从密封圈老化机理出发，利用试验数据与有限元分析相结合的手段，对航天器结构中一种常用的硅橡胶密封圈老化后的力学性能进行了分析，这对长寿命航天器结构应用密封圈设计有着重要的借鉴意义：

(1)从试验结果看出，由于材料性能和截面形状的改变，老化后硅橡胶O形圈的接触应力值大大下降，增加了密封结构泄漏的可能性，这为密封圈泄漏机理研究可提供一个新的思路。

(2)通过定量分析，得到在一定寿命期限内航天器结构应用密封圈的密封接触应力还剩余多少，从而可以据此判断密封是否失效，进而得到航天器结构密封圈的使用寿命。

后续对航天器结构用密封圈的老化研究还将进一步深入，可以从如下几个方面入手，以期能更好地支持工程应用。本文重点分析了O形密封圈，后续工作可以对航天器中用到的其它截面形状的密封圈进行老化分析。此外，本文分析的进行加速老化试验的密封圈试验样本还比较少，需要再补充进行一些不同老化程度的密封圈试验，从而使我们对密封圈老化的认识更加深入。

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(编辑：张小琳)

Research of Performance for Silicone Rubber Seals Used in Spacecraft Structure Based on Finite Element Analysis

CHANG Jie CHEN Tongxiang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

The mechanics parameters of silicon rubber seals degenerate as working time increasing. Firstly, the mechanics of thermal oxidization aging is analysed in this article. Then the silicon rubber seals’ material parameters are contrasted before and after the aging test. The O-ring’s mechanics parameters, such as maximal contact stress, are calculated with the non-liner finite element analysis software ABAQUS. Lastly, the influence on seal effect of the parameters change is analysed. The research findings can provide some references to design long-life seals.

spacecraft structure; silicon rubber seals; thermal oxidization aging; finite element analysis; contact stress

2014-01-19；

：2014-04-24

国家重大科技专项工程

常洁，男，工程师，主要从事航天器结构设计工作。Email：change_ny@163.com。

V414.9

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.009