基于Ansys的舰用大尺寸异形密封圈双向密封性能数值研究

石邦凯，邓茹风，李桂菊

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

0 引 言

密封结构是有密封要求的舰船设备的重要组成部分。密封的有效性对设备的性能有着较大影响，而密封圈多利用经验进行设计，之后通过试验验证密封性能，该方法难以满足现代精确设计的要求[1]。近年来，随着计算机技术的发展，运用有限元分析的方法开展密封性能的仿真研究越来越普遍[2–5]。本文运用有限元分析软件Ansys对密封圈的密封性能进行仿真计算，根据仿真结果判断密封的有效性，为密封圈和密封结构的设计提供支撑。

1 密封结构设计

某舰用设备密封结构示意图如图1所示，其主要由底座、异形密封圈、压板、螺钉及压环组成。密封圈通过压板和螺钉紧固在底座之上，密封圈与压板之间压缩接触，实现密封。该密封结构存在2个密封位置，实现双向密封，下密封位置阻止压环右侧海水泄漏至其左侧，上密封位置阻止压环左侧海水泄漏至其右侧，双向海水密封压力均为0.2 MPa。

由于压环和密封圈尺寸均较大，长度方向为4 m左右，且压环厚度不大，并采用焊接方式与其基座固联，难以较为精确地保证压环与密封圈之间的相对距离，这就大大增加了完全密封的难度。若要实现双向完全密封，密封圈需要能够有效应对配合误差，为此，设计如图2所示的异形密封圈，其拥有2个密封舌，能够对2个位置进行密封，且密封圈设计标准压缩量为6 mm（大密封舌水平方向），允许有±2.5 mm的偏差，即密封圈最小压缩量为3.5 mm，最大压缩量为8.5 mm。

2 密封结构有限元建模

2.1 材料模型

密封结构中压环为不锈钢，其特性参数为：

1）弹性模量E=1.9×1011Pa；

2）泊松比u=0.3。

密封圈为丁晴橡胶（NBR），采取2参数的Mooney-Rivlin模型来模拟其力学性能，其特性参数为：

1）弹性模量E=6.9×107Pa；

2）泊松比u=0.499；

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

2.2 假设条件

计算建模时简化假设如下：

1）不考虑海水温度变化对密封圈的影响；

2）不锈钢的弹性模量值远远大于橡胶，假设压环为刚体；

3）橡胶材料各向同性且均匀连续。

2.3 计算模型

依据上述假设，对密封圈进行有限元建模，模型尺寸以m为单位，应力以Pa为单位。密封圈采用二维实体单元PLANE182，接触采用目标单元TARGE169和接触单元CONTA172，其有限元模型如图3所示。

2.4 边界条件和载荷

安装时通过螺钉和压板将密封圈紧固在底座上，预紧力非常大，在与压环压缩过程中不会发生移动，因此，密封圈与底座及压板接触部位添加全约束。密封圈的变形通过压环的移动实现接触进行约束。

密封圈承受的载荷主要有3种：第1种是安装状态下压环压缩密封圈；第2种是密封圈被压环压缩状态下，上部施加0.2 MPa密封压力；第3种是密封圈被压环压缩状态下，密封圈下部施加0.2 MPa密封压力，如图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触应力作为考察因素，对于一个密封结构而言，接触应力的大小是保证密封性能的关键因素，只要接触压力大于密封压力，则可实现密封，且接触压力大于密封压力的接触区域越大密封效果越好。

3 计算结果及分析

3.1 安装压缩下仿真结果及分析

安装压缩预紧状态下计算密封圈压缩量3.5 mm，6 mm及8.5 mm时的接触压力，结果如图5所示。

由图5计算结果分析可知，压缩量3.5 mm，6 mm，8.5 mm时上下密封位置的最大接触压力均大于0.2 MPa，理论上均能够实现较好的密封，但施加密封压力后密封圈受力状态与压缩预警状态不同，需要进行进一步计算以确定其在密封压力作用下具有较好的密封性能。此外，压缩量从3.5 mm变化至8.5 mm过程中，最大接触压力先减小后增大，但随着压缩量的增加，上下密封位置处接触压力能够达到0.2 MPa以上的区域明显增大，即压缩量越大，密封效果越好。

3.2 上部施加密封压力下仿真结果及分析

在密封圈上部施加密封压力时，对密封圈压缩量3.5 mm，6 mm，8.5 mm等工况进行仿真计算，计算结果如图6所示。

由图6计算结果分析可知，密封圈施加上部密封压力后，压缩量为3.5 m，6 mm，8.5 mm时，上密封位置处最大接触压力大于0.2 MPa，能够实现密封；随着压缩量的增加，上密封位置处接触压力能够达到0.2 MPa以上的区域明显增大，即压缩量越大，密封效果越好；相比较于没有施加密封压力的工况，密封圈上部施加密封压力后，上、下密封位置处的最大接触压力均变小，上密封位置处接触压力变化较大，下密封位置处的最大接触压力变化较小。

3.3 下部施加密封压力下仿真结果及分析

在密封圈下部施加密封压力时，对密封圈压缩量3.5 mm，6 mm，8.5 mm等工况进行仿真计算，计算结果如图7所示。

由图7计算结果分析可知，密封圈施加下部密封压力后，压缩量为3.5 m，6 mm，8.5 mm时，下密封位置处最大接触压力大于0.2 MPa，能够实现密封；随着压缩量的增加，上密封位置处接触压力能够达到0.2 MPa以上的区域明显增大，即压缩量越大，密封效果越好；相比较于没有施加密封压力的工况，密封圈下部施加密封压力后，上、下密封位置处的最大接触压力均变大，上密封位置处的最大接触压力变化较小，下密封位置处的最大接触压力变化较大。

4 结 语

本文运用有限元仿真计算的方法分析了密封圈在不同压缩量及密封压力工况下的密封性能，得出以下结论：

1）异形密封圈在允许压缩范围内随着压缩量的增加，能够实现密封的区域面积随之增加，即设计范围内的密封圈压缩量越大，密封效果越来越好；

2）本文设计的异形密封圈在压缩量变化较大时，密封圈与压环的最大接触压力均大于要求的密封压力0.2 MPa，能够实现大尺寸密封结构在较大配合误差工况下的双向密封，验证了密封结构设计的合理性；

3）本文所采用的仿真计算方法能够为其他密封圈密封性能的数值计算提供参考，仿真结果能够为其他大尺寸密封结构的设计提供指导。

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