常温低温组合密封结构的有限元分析与优化设计

发布时间：2020-08-29 09:42

　　 液态火箭发动机对密封的可靠性要求很高,其密封性能的好坏将直接影响整个系统的性能。本文研究的组合密封结构是某型号液态火箭发动机上的动密封装置,其由一个聚四氟乙烯滑环和一个橡胶O形圈组成,要求在常温20℃到低温-40℃的范围内均能保持良好的静、动密封。对此组合密封结构在不同工作环境下的各种工作状态进行有限元模拟研究,可以全面分析此密封结构的密封性能,发现薄弱环节,提高密封可靠性,具有重要的意义。 本文首先分析了聚四氟乙烯和橡胶的材料特性,由于橡胶的力学行为不能像金属材料一样简单地用弹性模量来描述,本文通过实验获得了丁腈橡胶在常温(20℃)和低温(-40℃)下的应力应变数据,并利用ANSYS软件拟合得到了此橡胶在常温和低温下的本构方程。 建立了组合密封结构的有限元模型,分别对常温和低温两种环境下,组合密封结构的静止工作状态、往复工作状态进行数值模拟研究,获得了应力场、位移场分布及变形情况,全面分析了组合密封结构在不同环境、不同工况下的静、动密封性能。 利用流体动力学理论,结合有限元模拟结果,计算出动态油膜厚度,与经验值吻合的很好;由作图法计算出接触区域各点处的油膜厚度,并绘制了油膜分布曲线;从理论上分析了泄漏量的影响因素,为提高密封的可靠性提供了指导。 对影响本文密封结构密封性能的工况参数和结构参数进行了有限元数值模拟研究,找出了工作压力、预压缩量、唇前角、唇后角、滑环厚度、唇口偏移量等参数对密封性能的影响规律,并在此基础上对此密封结构进行了优化,得到了最优解。 最后分析了组合密封结构的主要失效形式以及影响因素,重点研究了摩擦系数、加工精度、工作温度等对此密封结构失效的影响规律,为此类组合密封结构的设计提供了参考依据。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2008
【中图分类】：TH136
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章 密封材料及实验参数测试种密封材料的性能，是正确设计、使用密封件的首要问题，密封结构中的聚四氟乙烯和橡胶的材料特性，并获取丁腈橡，为以后的有限元分析打下基础。氟乙烯材料特性四氟乙烯的结构和特性乙烯(PTFE，Polytetrafluoroethylene)是分子量极高、高结晶其分子构形如图 2-1 所示。PTFE 分子的主链由 C-C 键构成氟原子取代，即形成了 C-F 键，此键的结合能很大。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文型，使用时根据实际情况选用其中之一。通常查不到超弹性材ey-Rivlin常数，因此必须通过材料的力学性能实测数据来确定这对超弹材料来说，需要形如单轴拉伸、单轴压缩、平面剪切等多来充分定义其力学行为[48]。以下通过实验方法获得丁腈橡胶的轴压缩和平面剪切三种力学行为的应力应变数据，为丁腈橡胶的拟合打下基础。实验参数测试及数据处理 单轴拉伸轴拉伸按照 GB/T 528-92《硫化橡胶和热塑橡胶拉伸性能的测定验获得。实验所用试样见图 2-2 所示。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文如图2-3所示，尺寸为：宽W=50mm、长L=80mm、厚S=2±0.2mm。图 2-3 剪切试样Fig.2-3 The shearing sample实验温度为 20℃和-40℃，实验速率为 V=25mm/min，两种温度各取 5 个试件进行实验。经过数据处理，在两种温度下的工程应力应变数据见表 2-5，表 2-6 所示。表 2-5 常温 20℃平面剪切数据Table 2-5 Date of shear testing at 20℃序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10应力(MPa) 0 0.06 0.20 0.52 0.61 0.79 1.07 1.53 1.99 2.45应变 0 0.03 0.06 0.09 0.10 0.12 0.14 0.18 0.23 0.27序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20应力(MPa) 2.89 3.49 4.03 4.46 5.33 6.12 6.99 7.98 9.33 10.62应变 0.31 0.36 0.40 0.44 0.48 0.53 0.57 0.61 0.66 0.71表 2-6 低温-40℃平面剪切数据Table 2-6 Date of shear testing at -40℃序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10应力(MPa) 0 -0.53 -1.16 -1.83 -2.55 -3.46 -4.65 -6.02 -7.48 -8.95应变 0 -0.05 -0.12 -0.19 -0.25 -0.31 -0.37 -0.44 -0.50 -0.56序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20应力(MPa) -10.34 -11.68 -13.22 -14.95 -16.78 -18.67 -22.57 -22.27 -23.68 -24.63应变 -0.63 -0.69 -0.75 -0.81 -0.88 -0.94 -1.00 -1.06 -1.12 -1.182.3.4 实验数据处理利用实验获得的橡胶材料的单轴拉伸、单轴压缩和平面剪切数据，通过有限元软件，拟合得到不同阶次的Mooney-Rivlin常数。一般情况下

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本文编号：2808386