全回转推进器桨毂运动副密封结构性能有限元分析

发布时间：2020-06-04 04:35

【摘要】：高服役性能海洋动力定位装备是保持海上平台高精度动态定位和运行平稳性的核心装备,大功率的全回转推进器是制约我国自主研发的瓶颈。全回转推进器的可调距螺旋桨受到强交变外载荷的作用,桨毂运动副密封失效是主要的失效形式之一,研究螺旋桨密封性能的动态变化规律和保持机理对于提高整机寿命和设备的可靠性有着非常重要的意义。可调距螺旋桨的桨毂运动副使用O型圈密封,在桨叶法兰与调距销盘的预紧力作用下以及温度、转速、油压等不同工况参数的作用下,密封结构接触状态的变化规律,如压缩率和接触压力等直接影响密封可靠性和调距灵敏性。首先计算在南海服役过程中的实际工况并分析密封结构的负载,利用ANSYS Workbench建立桨毂运动副的有限元模型,仿真分析在不同预紧力、温度、离心力以及调距时接触状态和摩擦应力的变化规律;然后进行橡胶圈的拉伸实验以拟合其本构关系模型,在此研究基础上结合摩擦磨损和装配公差产生的间隙对不同压缩率和不同油压下的O型圈密封状态进行分析,根据密封机理对其磨损规律和失效形式进行预测;最后对不同的服役状态参数进行了灵敏度分析,强调了温控装置的重要性,并对装配预紧力进行响应面优化设计,得到了最佳预紧力组合,有效减小了预紧力引起的装配间隙。通过对桨毂运动副密封结构的有限元分析,揭示了不同工况参数下密封接触状态的变化规律,为可调距螺旋桨的设计优化和服役寿命的计算提供数据基础,对于密封结构的改进有着重要的参考价值。
【图文】：

分布图,接触力,局部坐标系,物体

必须建立真实的装配关系，尤其是桨毂运动副密封结构中结合面上法兰与桨毂体上表面、橡胶圈与桨毂体及法兰的接触对配合。本章从非线性的有限元接触算法出发，对接触对的不同状态方程进行了分析，然后介绍了橡胶材料的超弹性本构关系模型，以此引出密封结构的设计参数、密封机理及其失效形式，为后续章节中密封性能的分析提供理论基础。2.2 接触非线性有限元理论有限元思想中接触的三要素是：接触时传递力、接触时无穿透、分开时无作用力。对于两个相互接触的物体，根据虚功原理利用变分构造其整体的刚度矩阵方程为： (2-1) (2-2)其中：K 是系统的刚度矩阵；u 是节点的位移向量；是系统载荷矩阵；是系统的接触力向量，、分别代表接触的物体、，，如图 2-1 所示。

橡胶密封圈,压缩率,沟槽,尺寸

图 2-3 O 型橡胶密封圈压缩率和沟槽尺寸封圈的线径，h0为沟槽底部到配合面的距 O 型圈的主要设计参数，其中槽宽 B 必深 h0直接决定密封圈的压缩量，根据机槽深[32]。率时要保证配合面有足够的接触压力，与磨损率无法同时最优，压缩率越大，接损速率也越大，密封圈寿命降低，发生泄[33]。表 2-1 为机械设计手册上规定的不 2-1 O 型橡胶密封圈的拉伸量和压缩率的选用范密封介质拉伸量 E/mm 油/空气（1.03-1.04）/（＜1.01）
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.3

【参考文献】