容压对柔性接头摆动密封可靠性的影响①

王周成，李　耿，陈　妮，陈　慧，史宏斌

(中国航天科技集团公司四院四十一所，西安　710025)



容压对柔性接头摆动密封可靠性的影响①

王周成，李耿，陈妮，陈慧，史宏斌

(中国航天科技集团公司四院四十一所，西安710025)

针对固体发动机柔性接头需要满足宽范围容压等级下摆动检测和使用的要求，根据柔性接头的实际工况，选取了5个典型的容压等级，通过有限元法分析了不同摆角下容压对柔性接头的应力状态和安全系数影响规律，并开展了不同容压下柔性接头的摆动密封可靠性验证试验。结果表明，随着摆动容压提高，柔性接头摆动密封可靠性呈先增大、后减小的趋势。对于文中柔性接头，其摆动密封可靠性在0.15～1.0 MPa区间快速增加，从1.0～2.0 MPa缓慢增加到最高，然后呈缓慢下降趋势，且平均工作压强折算的3.8 MPa高容压下柔性接头的摆动密封可靠性远大于0.15 MPa低容压下柔性接头的摆动密封可靠性。

柔性接头；容压；摆动；密封；可靠性；弹性件；试验验证

0　引言

柔性接头是喷管实现全轴摆动的常见结构形式，其具有较强的抗轴向压缩能力，同时在较小的剪切外力作用下能够变形，以及在发动机工作状态下具有较强的自密封性。因此，广泛用于国内外发动机的矢量控制[1-4]。

柔性接头为喷管摆动的关键重要件，不仅需要满足发动机工作压强下摆动使用要求，而且由于柔性接头作为叠层粘接成型组件缺乏粘接质量的无损检测手段，还需通过0.15 MPa的低压摆动检验，以评判其粘接质量和力矩性能，导致柔性接头摆动容压等级的区间较宽。某柔性接头研制过程中，多次出现在0.15 MPa低压摆动检验时漏气的问题，但在发动机工作压强下的试验中，从未发生过柔性接头摆动漏气的问题。因此，针对上述现象，本文通过有限元法，计算了不同容压下柔性接头摆动的应力状态、应力水平和安全系数；并采用存在较大贯通性脱粘的柔性接头和冷态摆动试验装置，开展了不同容压下柔性接头的冷态摆动试验，以验证容压对摆动密封可靠性的影响规律。

1　柔性接头摆动的数值模拟

1.1计算模型

如图1所示，采用ANSYS有限元软件建立了某型柔性接头摆动装置的计算模型。由于柔性接头是由若干同心环状球体弹性件和增强件相互交替粘结在一起，前后粘接有法兰连接件，因此模型中各部件之间为共面关系。有限元模型采用45号六面体单元，单元总数为161 091个，节点总数为170 031个。

(1)边界条件

为了简化计算，对有限元模型进行如下假设：模型中不考虑各部组件之间粘接剂影响；模型中不考虑摆杆支架、支耳的变形影响，下支点和摆杆之间建立刚性约束。

固定体大端固支，在下支点处创建一个节点，节点和摆杆表面之间建立Force-distributed constraint，约束节点和摆杆之间的位移，通过下节点施加摆动载荷；同时，在柔性接头、堵盖和固定体壳体的外表面施加容压载荷。

(2)材料参数

所用弹性件材料为天然橡胶，采用Mooney-Rivlin三阶五项模型[5-7]：C10=0.051 038，C01=0.329 168，C20=0.013 877，C11=0.044 502，C02=0.013 9；其他零件材料为钢锻件，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。

图1　柔性接头摆动装置的有限元模型

1.2计算工况

由于柔性接头摆动工况是重复几十次的规定时间历程内不同角度的多方位单向和合成摆动，因此可选择一个时间历程内的典型摆角工况，通过计算不同容压下典型摆角工况下的柔性接头应力分布，来综合考虑容压等级对一次时间历程内柔性接头摆动应力水平的影响，最终获得容压对柔性接头摆动密封可靠性的影响规律。

根据柔性接头摆动检测和使用情况，计算的载荷选择如下：容压选取低压摆动0.15、0.30 MPa，平均工作压强的折算容压3.8 MPa[8]，以及高、低容压之间1.0、2.0 MPa共5个压强等级；摆角选取合成角度1.0°、2.0°、6.5°、8.0°共4个摆角等级，代表柔性接头的实际摆动工况；计算摆动状态选择最严酷的两个作动器同向收缩合成状态。

1.3计算结果分析

如图1所示，以摆心为球心，将应力按球坐标系输出。其中，沿法线X方向的为正应力SX，沿YZ平面Y向为剪应力SXY，沿YZ平面Z向为剪应力SXZ。由于柔性接头摆动漏气的破环模式共有粘接界面脱粘、弹性件扯裂和前二者混合破环3种，从未发生过增强件破环的模式。因此，通过分析弹性件应力来评价柔性接头摆动的密封可靠性。

1.3.1容压对柔性接头应力状态的影响

表1为不同容压和摆角等级下柔性接头弹性件的法向和切向最大应力，图2为弹性件法向和切向最大应力变化趋势图。可见，随着容压的增加，弹性件的法向最大应力逐渐减小，应力状态由拉伸变为压缩；而切向最大应力逐渐增大，但增加量在可承受范围内(远小于弹性件的剪切强度6.36 MPa)。随着容压增加至2.0 MPa，所有摆角下柔性接头均由拉剪的工作状态进入更可靠的压剪工作状态。

图2　弹性件的应力随容压的变化趋势图

表1　不同容压下弹性件的应力计算结果

图3和图4分别为合成摆角分别是1.0°和8.0°时，法向出现正应力对应容压下的柔性接头弹性件法向应力云图。图中灰色区域表示弹性件处于拉剪状态。可见，对于1°的小角度合成摆动工况，弹性件在低容压0.15 MPa下，绝大部分已经处于压剪的应力状态，0.30 MPa及更高容压下，弹性件全部处于压剪的可靠应力状态。对于8°的大角度合成最严酷摆动工况，弹性件在低容压0.15 MPa下，大部分处于拉剪的应力状态，随着容压升高，拉剪状态区域迅速减小，在2.0 MPa容压下，弹性件拉剪状态区域几乎全部消失。可见，容压对弹性件的摆动应力状态影响显著。

1.3.2容压对柔性接头安全系数的影响

考虑法向和切向应力二者的综合影响，弹性件的安全系数f可按式(1)计算[5]：

(1)

其中，弹性件拉伸破坏强度σb=2.23 MPa；剪切破坏强度τb=6.36 MPa。由于橡胶为超弹性材料，不考虑压应力状态对弹性件的安全系数的影响。

(a)0.15 MPa

(b)0.30 MPa

图5为不同容压下弹性件的安全系数。可见，随着容压升高，弹性件的安全系数呈先增大、后减小的趋势，且摆角越大弹性件的安全系数越低。分析发现，随着容压升高，弹性件法向应力相对于拉伸强度的下降率大于剪切应力相对于剪切强度的上升率。因此，当弹性件处于法向拉伸应力状态时，容压升高导致弹性件安全系数增大；当弹性件处于法向压缩应力状态时，容压升高导致弹性件安全系数下降。可见，当弹性件的法向应力为零时，弹性件的安全系数达到最高。由于对于不同的摆动工况，弹性件的法向应力为零对应的容压等级不同，导致不同摆动工况下弹性件安全系数达到最高的容压等级不同，呈现为摆角越大，弹性件安全系数达到最高的容压等级越高。

(a)0.15 MPa

(b)0.30 MPa

(c)1.0 MPa

(d)2.0 MPa

由于柔性接头的摆动工况是规定时间历程内不同摆角下单向和合成摆动，同时由上述分析可知，最大摆角下,弹性件安全系数最低。因此，以最大摆角下的弹性件安全系数来评价容压对柔性接头摆动密封可靠性的影响。该柔性接头的最大摆角为8°。因此，以8°摆角工况下的安全系数评价容压对规定时间历程不同摆角工况下摆动密封可靠性的影响，即柔性接头的摆动的安全系数随容压升高呈先增大、后减小的趋势，在2.0 MPa容压下,安全系数达到最高。

图5　不同容压下柔性接头弹性件的安全系数

综合考虑容压对柔性接头的应力状态和安全系数的影响规律，认为对于该型柔性接头，随着摆动容压提高，柔性接头摆动密封可靠性在0.15～1.0 MPa区间快速增加，从1.0～2.0 MPa缓慢增加到最高，然后呈缓慢下降趋势，且平均工作压强折算的3.8 MPa高容压下柔性接头的摆动密封可靠性远大于0.15 MPa低容压下柔性接头的摆动密封可靠性。

2　试验验证

为了验证容压对柔性接头摆动密封可靠性的影响规律，采用存在较大贯通性脱粘的该型柔性接头进行摆动验证试验。

2.1试验装置

摆动试验装置见图6，主要由柔性接头、冷试容器、固定体壳体、堵盖、摆杆支架、支耳、伺服系统和测压系统等组成。

2.2试验结果及分析

柔性接头摆动试验的容压等级从0.15 MPa开始，先以0.05 MPa步长升压，容压升至1.0 MPa后，再以0.1 MPa步长升压，每级容压按伺服单元测试程序摆动一次，直至燃烧室平均工作压强折算3.8 MPa。

摆动试验过程中，在0.15 MPa下，摆角增大到2.0°时发生漏气；在1.0 MPa下，摆角增大到6.5°时发生漏气；随着容压升高，2.0 MPa时，所有摆动工况柔性接头不再漏气。表2为典型容压等级下的柔性接头按伺服单元测试程序摆动的压降和总比力矩。可见，随着容压升高，柔性接头一次伺服单元测试摆动过程中漏气导致的压降逐渐下降至0 MPa，说明容压升高,使柔性接头脱粘区域逐渐转变为自密封区域，当容压升高到2.0 MPa,脱粘区域已全部转变为自密封区域。同时，随着容压升高，柔性接头摆动力矩逐渐增大到正常水平(无脱粘柔性接头的力矩水平)后逐渐减小，考虑到柔性接头具有随着容压升高、摆动力矩下降的特性[9]，说明0.15～2.0 MPa区间容压升高，使柔性接头脱粘区域逐渐转变为自密封区域，导致柔性接头的摆动力矩增加量大于容压升高引起摆动力矩下降量，当容压升高到2.0 MPa，脱粘区域已全部转变为自密封区域，容压再升高，只会引起摆动力矩下降。

图6　柔性接头摆动试验装置

表2　不同容压下柔性接头摆动压降和总比力矩

试验表明，随着容压从0.15 MPa逐渐提高到2.0 MPa，该型柔性接头粘结界面密封可靠性也随着提高，导致柔性接头摆动密封可靠性逐渐提高。当容压超过2.0 MPa后，柔性接头力矩呈下降趋势，但在合理范围内，且气密性能良好。由于柔性接头力矩减小趋近于零，甚至出现负力矩会造成结构失稳[10]，认为当容压超过2.0 MPa时，力矩下降会导致柔性接头稳定性有所下降，从而降低了柔性接头的摆动密封可靠性。

根据柔性接头摆动密封可靠性随容压升高，呈先增大、后缓慢减小的规律，为了提高该型柔性接头的摆动密封可靠性，同时考虑堵盖的安全性，可将喷管的摆动检验压强提高到0.3 MPa(堵盖打开压强在1.0～2.5 MPa之间)；采用堵盖工装的柔性接头摆动检验压强，可提高到2.0 MPa。

3　结论

(1)随着容压升高，摆动工况下柔性接头弹性件法向为正应力的区域迅速减小，柔性接头由拉剪应力状态逐渐进入更可靠的压剪应力状态。

(2)通过柔性接头弹性件安全系数分析和试验验证，认为柔性接头摆动密封可靠性随着容压升高，呈现为先增大、后缓慢减小的趋势，当弹性件的法向应力为零时，柔性接头的摆动密封可靠性达到最高，且柔性接头的规定时间历程内，摆动工况中的最大摆角越大，柔性接头的摆动密封可靠性越低，可靠性达到最高所对应的容压等级越高。对于文中的某型柔性接头，其摆动密封可靠性在0.15～1.0 MPa区间快速增加，从1.0～2.0 MPa缓慢增加到最高，然后呈缓慢下降趋势，且平均工作压强折算的3.8 MPa高容压下柔性接头的摆动密封可靠性远大于0.15 MPa低容压下柔性接头的摆动密封可靠性。

[1]阮崇智.大型固体火箭发动机研制的关键技术[J].固体火箭技术,2005,28(1): 23-28.

[2]Shimon Shani,Shlomo Putter,Arice Peretz.Development of a high-performance flexible joint for thrust vector control[R].AIAA 95-3047.

[3]Hoyt Sherard.Development of advanced flex joint technology[R].AIAA 73-1262.

[4]Akiba R,Kohno M.Development of movable nozzle for solid rocket motor[R].AIAA 83-2285.

[5]Prins W,Meyer S,Cox P.Advanced solid rocket motor nozzle thrust vector control flexseal development status[R].AIAA 92-3553.

[6]安春利.柔性接头低压摆动载荷分析和性能研究[D〗.西安: 第二炮兵工程学院,2004.

[7]徐明.橡胶类超弹性材料非线性本构关系研究和有限元分析[D].北航:北京航空航天大学,1997.

[8]陈汝训,刘铭初,李志明,等.固体火箭发动机设计与研究(下)[M].北京：北京宇航出版社,2007: 117-223.

[9]王春光.高压作用下柔性接头摆动力矩减小问题分析[D].西安: 航天动力技术研究院,2010.

[10]曹翠微,陈为民,蔡体敏,等.固体火箭发动机柔性接头的结构分析[J].推进技术,2006,27(5): 450-454.

(编辑：崔贤彬)

Influence of vessel pressure on flexible joint swing seal reliability

WANG Zhou-cheng，LI Geng，CHEN Ni，CHEN Hui，SHI Hong-bin

(The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC，Xi'an710025，China)

With regard to the wide range vessel pressure during swing detecting and using of solid motor flexible joint,five typical vessel pressure grades were selected,then finite element analysis method was adopted to get the influence rule of the vessel pressure under different swing angles.Moreover a flexible joint swing confirmation test was carried out to verify the simulation results.The simulation computation and confirmation test show that the flexible joint swing seal reliability increases first and then decreases with the vessel pressure increasing.For the flexible joint in this paper,the reliability increases rapidly from 0.15 MPa to 1.0 MPa,then increase slowly from 1.0 MPa to 2.0 MPa,finally decreases slowly,and the reliability at 3.8 MPa of the conversion pressure of combustion chamber is far higher than the reliability at 0.15 MPa.

flexible joint;vessel pressure;swing;seal;reliability;elastomer;confirmation test

2015-05-08；

2015-08-15。

王周成(1985—)，男，硕士，研究方向为固体火箭发动机喷管设计。E-mail：wangzc36@163.com

V435

A

1006-2793(2016)03-0337-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.03.008