软金属密封结构密封性能数值仿真研究

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1、第38卷第3期火箭推进Vo1．38，No．32012年6月JOURNALOFROCKETPROPULSIONJun．2012软金属密封结构密封性能数值仿真研究黄其殷，白旭东，李妙婷(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：针对液氧煤油发动机管路中广泛应用的软金属密封结构，采用单边接触模型和材料弹塑性模型相结合的方法，通过有限元软件Nastran隐式非线性模块对其进行数值仿真。得到并分析了结构应力、位移及接触应力等相关参数。结果表明，软金属密封结构在45MPa内压下，结构强度满足使用要求，密封面接触应力大于300

2、MPa，密封安全系数大于1．67。关键词：软金属；密封；数值仿真；非线性模块中图分类号：V434．1—34文献标识码：A文章编号：1672—9374f2012)03—0029—05NumericalsimulationofsoftmetalsealingperformanceHUANGQi—yin，BAIXu—dong，LIMiao-ting(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abstra~：Thesoftmetalsealingstructurew

3、idelyusedinLOX／kerosenerocketenginewasnu—mericallysimulatedbymeansoftheNas~animplicitnonlinearmoduleandthemethodwhichtom—binesthecontactmodelandmaterialelastic—plasticmode1．Therelevantparameterssuchasstructurestress，displacement，contactstressandSOonareanalyzed．T

4、heresultshowsthattheintensityofthesoftmetalsealingstructurecansatisfytherequirementofapplicationwhenitisatthepressureof45MPa，thecontactstressofthesealingsurfaceisabove300MPa，andthesealingsafetyfactorismorethan1．67．Keywords：softmetal；sealing；numericalsimulation；n

5、onlinearmodule煤油发动机的高压气路和高压液路接头，其密封0引言可靠性是确保发动机正常工作的重要基础之一。较以往发动机球面密封结构，软金属密封结构通由于发动机工作条件十分恶劣，在其工作条过采用不同材料的密封垫，适用于一190℃低温液件下应满足密封无泄漏、结构可靠、质量小、拆氧、常温燃料及500℃高温燃气等工作环境，在卸方便、制造成本低、互换性好及多次使用的要使用中表现出良好操作性、密封性及抗震性。求【lJ。软金属密封结构应用于高压补燃循环液氧国内外学者通过商业有限元软件ABAQUS和收稿日期：2012—03

6、—16；修回日期：2012—05—18基金项目：国家“863”项目(2005AA722063)作者简介：黄其殷(1983-)，男，助理工程师，研究领域为液体火箭发动机总体设计火箭推进2012年6月ANSYS对航天器氧系统和燃料系统管路密封结构与球面密封相比，在工程应用中发现软金属密封性能进行了仿真分析。针对软金属密封结密封具有以下优点：构，将通过有限元软件NASTRAN隐式非线性模1)使用温度范围广，可在一182oC液氧温度，块，建立起软金属密封结构接触和材料弹塑性有500℃富氧燃气环境下正常工作；限元模型，并对其密封

7、机理和密封性能进行仿真2)管路通径应用范围广，从4mm小通径管分析。路到32mm通径管路均可保证可靠密封；3)重复使用性强，软金属强度远小于接头1密封结构组成强度，不会损伤接头密封面，因此每次拆装只需更换密封垫即可多次重复使用；软金属密封结构如图1所示，包括凹台阶接4)良好的加工性，软金属密封结构中，凸、头、软金属密封垫、凸台阶接头及外套螺母4个凹台阶接头的配合面较长，在装配时起导向作零件，在凹台阶接头和凸台阶接头密封面上开有用，可防止因装配偏差造成密封垫受力不均而影v型密封槽。响密封性能，不需要特殊精加工；常用的球面

8、密封结构如图2所示，由凹球面5)良好的抗震性，密封垫塑性变形后，填接头、外套螺母及凸球面接头组成。充导向配合间隙，使凸、凹台阶接头配合非常紧密，整个密封具有良好的抗震放松能力。2数值模型与计算方法凹台阶接头、凸台阶接头及外套螺母材料为高强不锈钢，弹性模量E=210GPa，泊松比／x=0．3，0-o2=980MPa；软金属密封垫为经