低温U形金属密封环密封性能有限元分析

为了研究U形金属密封环在不同工作条件下的密封性能,利用ABAQUS软件建立某U形金属密封环的二维轴对称模型,在静密封条件下计算分析U形密封环初始压缩量、工作压力及工作温度等操作参数对密封环最大Von Mises应力、接触压力大小及其分布以及接触宽度的影响。结果表明,在工作工况下,U形密封环上最大Von Mises应力小于材料屈服极限,最大接触压力满足密封要求,且在低温条件下适当增大工作压力可以提高其密封性能。根据计算结果,提出此U形密封环的极限工作条件,对该U形金属密封环的设计和使用有一定的指导意义。     

异形结构弹性金属密封环力学特性数值研究

为对比不同结构弹性金属密封环的力学特性,建立弹性金属密封环力学特性数值模型,在验证数值模型准确性的基础上,对比分析O形、C形、U形和W形4种结构密封环的变形特性、轴向刚度和回弹性能,并分析进出口压差、温度和结构形式对轴向刚度的影响。研究结果表明:在压缩复位工况下,U形和W形环具有良好的回弹性能,C形环的回弹性能适中,而O形环的回弹性能较差;在高温高压工况下,弹性金属密封环轴向刚度随着温度的增加而减小,进出口压差对弹性金属密封环轴向刚度的影响不大,4种结构密封环的轴向刚度由大至小依次为O形、C形、W形和U形;在相同压缩量条件下,高温高压工况相比于压缩复位工况,弹性金属密封环的最大应力值更小,但应力值超过屈服强度的区域更大,结构更容易失效。通过对比4种结构密封环发现,O形环适用于高载荷低回弹的工况,U形和W形环适用于低载荷高回弹的工况,而C形环的性能适中。     

W形金属密封环回弹与密封性能研究

利用ANSYS分析W形金属密封环的压缩回弹性能和密封性能,得出W形金属密封环的压缩量与压紧力的关系;讨论加卸载过程中合金基体与银层的等效塑性应变分布情况并分析密封机制。通过正交试验,分析壁厚、波高、波峰半径、波谷半径等结构参数对密封环回弹性能和密封性能的影响规律。结果表明:W形环具有高回弹量和良好的自紧密封功能;加载压缩量达到10%时,合金基体的波谷区域开始出现塑性应变;镀银层在加载时的塑性流动,是能够实现密封的必要条件;壁厚和波高是对W形环综合性能影响最主要的参数;波谷半径过大将导致W形环密封性能难以保证,在改进设计中应避免。     

基于Abaqus的井下U形金属密封环性能研究

为满足井下流量控制阀在高温高压、强腐蚀工况下的密封要求,提出一种可用于径向密封的U形金属密封环;利用Abaqus软件建立密封环的二维有限元分析模型,计算在预紧和井下实际工况条件下的最大Mises应力和接触压力的分布情况,分析初始压缩量、密封环厚度和井下压力对密封性能的影响。结果表明:随着初始压缩量的增加,最大接触压力先增大后减小再增大;随密封环厚度增加,最大接触压力先减小后增大;随井下压力增加,最大接触压力波动增加。初压缩量为0.4 mm、密封环厚度为3.7 mm时密封效果最优;在井下工作压力为30 MPa时,U形金属密封环能够满足密封条件,实现紧密密封。     

金属W形密封环的弹塑性接触有限元分析

采用ANSYS有限元软件建立金属W形密封环的有限元模型,对金属W形密封环在给定工况下的弹塑性接触变形进行非线性有限元分析,得出相应情况下的接触应力分布和范.米塞斯(Von-M ises)应力分布;讨论密封环操作参数和结构参数对密封性能的影响。结果表明,在预紧工况和工作工况下,密封环的最大接触应力均能满足密封要求,且最大Von-M ises应力小于屈服极限,金属W形密封环可以实现密封;适当增大金属W形密封环壁厚或加大预压缩量,可以提高其密封性能。     

组合式弹性片金属密封环密封特性有限元分析

利用ANSYS Workbench软件建立组合式弹性片金属密封环有限元模型,分析密封环初始压缩量、工作压力等对密封环最大Von Mises应力、接触应力大小及接触部位压力分布的影响。研究表明:组合式弹性片金属密封在不受工作压力情况下,顶块与封严片之间并不是完全接触的,不能起到密封效果,但在工作条件下,在一定的预压缩量下其顶块与封严片之间完全接触,满足密封要求;适当增加预压缩量可以提高密封环密封性能,但同时其所受的最大Von Mises应力也增大,当最大Von Mises应力大于材料的屈服极限时密封环会失效。通过计算得到弹性片的安全工作夹角范围,为组合式弹性片金属密封环的设计、安装及使用提供依据。     

W形金属密封环工作状态下综合性能优化设计

为满足航空航天领域严苛工况下的密封要求,对W形金属密封环综合性能进行研究,提出从回弹性能、密封性能、稳定性能3个方面对W形金属密封环工作状态下的综合性能进行优化;建立W形环静态工况计算模型和准静态压缩回弹计算模型,分别计算塑形变形区域占比、最大接触应力和回弹率来描述其稳定性、密封性和回弹性;建立一套W形金属密封环的优化方法,应用分层求解和加权平均构造目标函数的方法,在给定工作条件下完成可行域内W形环最优综合性能设计的求解。优化结果与国外某公司产品契合度较高,验证了整个优化方法的正确性。     

弹性金属密封环力学特性与泄漏特性数值研究

弹性金属密封环的力学特性及泄漏特性对其工作性能有着重要影响。以径向压缩的弹性金属密封环为研究对象,推导弹性金属密封环泄漏量理论公式,建立弹性金属密封环力学特性求解模型,分析压缩量、进出口压差及温度等工况参数对弹性金属密封环的力学特性及泄漏特性影响规律。研究结果表明:在压缩工况及压缩加压工况下,弹性金属密封环的最大变形区域及最大应力区域均位于外径边缘,且变形量和应力值均沿外径边缘向过渡圆方向逐渐减小;在压缩加压加温的工况下,最大变形区域位于其外径中部位置,最大应力区域位于外径边缘处;径向压紧力、径向刚度与压缩量、进出口压差和温度均呈正相关关系,其中温度对径向刚度的影响更大;弹性金属密封与法兰的轴向接触宽度与压缩量、进出口压差和温度呈正相关关系,泄漏量与压缩量和温度呈负相关关系,与进出口压差呈正相关关系,而进出口压差对泄漏特性的影响更大。     

Ｗ 形金属密封环轴向刚度影响因素研究

W形金属密封环的轴向刚度与其密封效果关系紧密,合理选择其轴向刚度是进行系统结构与参数优化的基础。应用ANSYS软件计算W形密封环的轴向刚度,研究密封环结构参数（壁厚、波高、波峰半径、波谷半径和密封环外径）、波层和温度对密封环轴向刚度的影响规律。结果表明：W形金属密封环轴向刚度与波高、波峰半径、波谷半径、层数以及温度呈反比关系,与壁厚和外径呈正比关系;壁厚和波高变化对密封环轴向刚度影响显著,在W形密封环设计过程中要考虑其壁厚与波高大小;金属W形密封环的多层结构比单层结构的补偿能力更强,在对补偿性要求高的场合,优先选择多层W形密封环;金属W形密封环轴向刚度与温度呈反比,高温环境下工作的金属W形密封环还需要考虑密封环强度。     

W形金属密封环轴向刚度影响因素研究

W形金属密封环的轴向刚度与其密封效果关系紧密,合理选择其轴向刚度是进行系统结构与参数优化的基础。应用ANSYS软件计算W形密封环的轴向刚度,研究密封环结构参数(壁厚、波高、波峰半径、波谷半径和密封环外径)、波层和温度对密封环轴向刚度的影响规律。结果表明:W形金属密封环轴向刚度与波高、波峰半径、波谷半径、层数以及温度呈反比关系,与壁厚和外径呈正比关系;壁厚和波高变化对密封环轴向刚度影响显著,在W形密封环设计过程中要考虑其壁厚与波高大小;金属W形密封环的多层结构比单层结构的补偿能力更强,在对补偿性要求高的场合,优先选择多层W形密封环;金属W形密封环轴向刚度与温度呈反比,高温环境下工作的金属W形密封环还需要考虑密封环强度。     

海底管道连接器密封环密封性能有限元分析

海底管道连接器中金属密封环需具备良好的回弹特性并提供稳定可靠的接触载荷,才能保证有效密封。而对于复杂的非线性结构,因不能预知密封环预紧安装后的形变,针对其进行理论计算难度大且易产生误差。为研究连接器中金属密封环的接触性能和回弹性能,借助有限元软件Abaqus建立连接器中密封结构的二维轴对称模型,分析初始压缩率对不同径厚比密封环密封性能的影响。以密封环应力状态、压缩回弹量、接触应力依次表征其损伤情况、回弹特性及密封可靠性,并结合三者与初始压缩率的关系,确定预紧安装过程中压缩率的可行性区间。结果表明:密封环损伤易发生于密封环椭圆截面长半轴端点两侧;随着初始压缩率增大,压缩回弹量先增大后减小,薄壁密封环的回弹性能优于同外径的厚壁密封环;薄壁密封环对应初始压缩率的可行性区间远大于同外径的厚壁密封环,证明薄壁密封环密封性能优于厚壁密封环。该结论为密封环选型及预紧安装提供了相关依据。     

航空发动机U形金属密封环的设计与优化

针对某型发动机高压转子连接结构的密封问题,设计一种U形金属密封环,分析研究密封环的密封和强度性能,探究结构参数(包括根部倒圆、壁厚、环高、接触面曲率半径、密封环接触面角度、密封环配合件角度)对密封环最大等效应力、最大接触应力的影响,基于ANSYS Workbench优化设计模块,采用代理模型结合遗传算法的优化技术对密封环结构进行优化。结果表明:安装压缩率范围为3.56%～6.33%时,可保证安装和工作2种工况下密封和强度的要求;最大等效应力与壁厚成正比关系,而与根部倒圆和环高成反比关系;接触面曲率半径对最大等效应力影响较小,但最大接触应力随着接触面曲率半径的增加而增加;选择合适的角度范围时,密封环接触面角度和密封环配合件角度对最大等效应力、最大接触应力影响均较小。密封环结构优化后,最大等效应力在安装和工作2种工况下分别减小了34.3%和30.4%,同时密封环质量减少了6.1%。对设计的U形金属密封环随整机进行了试验,结果表明U形金属密封环密封性能良好,验证了设计的合理性。     

W形金属密封环工作状态下的力学状态与回弹性能研究

建立W形金属密封环的有限元模型,计算其不同工况下的静力学状态,并以此为基础探究W形环最大Von Mises应力与最大接触应力的影响因素。运用ANSYS模拟W形环在不同工况下加载卸载的全过程,探究W形环回弹率的各种影响因素。结果表明:在计算范围内,壁厚和压缩量的增加使最大接触应力平稳增大,密封性能提高,波高和温度的增加使最大接触应力下降,密封性能下降;壁厚和压缩量的增加使回弹率降低,波高与介质压力的增加使回弹率升高。     

井下V形金属密封环密封性能研究

提出一种适用于井下复杂环境的V形金属密封环,利用压力密封装置模拟40 MPa压差工作环境,研究V形金属密封环在井下流量控制阀中的密封性能。将V形环的力学模型分解为圆筒过盈配合与悬臂梁力学模型进行理论分析,得出密封接触面的应力计算公式,并利用ABAQUS进行仿真验证。建立V形环两种密封面(曲面与平面)的轴对称模型,分析密封环在40 MPa压差下,不同过盈量与倾角对密封性能的影响,并对比2种结构的性能。结果表明,在满足密封性能的前提下,平面密封结构的过盈量取值范围更广,并且在相同结构参数时的接触应力大于曲面密封。确定平面密封结构过盈量与倾角的取值范围,为井下流量控制阀中V形金属密封环的设计提供了参考,应力计算公式也为密封环的设计提供了一个初步的接触面应力。     

C形环在超高压大直径容器密封上的适应性研究

在超高压、大尺寸等恶劣工作环境下,常规密封件容易出现严重变形、强度不够和泄漏等问题,难于满足性能要求。为此选用C形密封环为对象,开展其在超高压大直径密封背景下的适应性研究。建立C形密封环的二维轴对称仿真模型,采用有限元方法分析有银层和无银层C形密封环的压缩回弹特性;分析C形密封环在定常和变量条件下Mises应力与接触应力变化规律,研究不同压缩量和外压对密封特性的影响。模拟结果与试验数据相近,验证了模型的准确性。结果表明:银层对C形密封环的压缩特性影响较小;包覆层回弹能力明显差于弹簧层,在超高压环境下包覆层更易达到极限强度,较弹簧层更易损坏;径向压缩量在0.65～0.85 mm范围内时,密封环具有良好的安全性和密封性能。研究表明,C形密封环在超高压大直径容器中具有良好的适应性,满足超高压密封要求。     

自紧式开口静态封严密封环结构的设计及优化

通过建立自紧式开口静态封严密封环的二维ABAQUS模型,利用控制变量的方法,研究侧壁厚、底壁厚及凸台直径等主要结构参数对自紧式开口静态封严密封环最大Mises应力、最大位移以及回弹率等的影响,得到的自紧式开口静态封严密封环各参数的最优取值范围。研究结果表明,侧壁厚对最大位移与最大Mises应力有很大的影响,底壁厚和倾斜角对密封环的回弹率作用明显。针对金属密封环不易压缩、预紧力大、在振动工况下易于疲劳泄漏等缺点,在现有的金属U形环及金属V形环的基础上进行优化设计,并通过试验进行验证。结果表明,优化后的封严密封环侧壁与底壁回转连接处应力强度明显下降,且密封环上的应力分布更为均匀;在相同的压缩量下,优化后的密封环位移数值更小,更有利于阻止密封结构的泄漏。     

低温U形金属密封环密封性能分析及改进设计

为了研究不同结构参数对U形金属密封环密封性能的影响规律,利用ABAQUS软件建立某U形金属密封环的二维轴对称模型,在常温预紧工况和低温工作工况下计算分析U形密封环厚度、截面宽度、腿部厚度以及圆弧半径等结构参数对密封环最大Von Mises应力、接触压力大小及其分布以及接触宽度的影响。结果表明,将U形环厚度增大为3.8 mm、腿部厚度减小为0.1 mm时,U形环密封性能提高;取截面宽度在6.4~6.8 mm之间、圆弧半径在0.7~0.9 mm之间,均能获得较好的密封性。根据计算结果,针对加载后U形密封环腿部出现翘曲的现象,提出了减小U形环腿部右端高度的改进方法。     

航空发动机主轴球轴承失效分析

对失效轴承进行宏观和硬度检查,对首断件进行断口分析和金相检查,并对收集的金属屑进行能谱分析,认为轴承失效与材料性能无关,轴承在工作过程中受到了非正常应力的作用。还对可能影响轴承正常工作的发动机装配形位公差K11和K12进行了理论分析,结果表明,发动机装配后的轴承偏斜是导致轴承失效的主要原因。     

金属O形环力学性能仿真分析与试验验证

金属O形环的力学性能对于密封系统的强度设计、密封性、可靠性等有着直接影响。为研究金属O形环的力学性能,以核反应堆压力容器用金属O形环为研究对象,考虑密封环的复合结构、材料弹塑性特征和工况条件,采用有限元方法建立O形环力学性能仿真模型,分析密封环的压缩回弹特性、应力应变特征、接触特性以及银层的作用,并进行相关试验验证。结果表明:该有限元模型计算结果与试验结果具有良好的一致性;压缩率过大或过小都将导致其密封性能下降;整个压缩回弹过程可分为弹性变形、塑性变形、法兰接触及回弹4个阶段,O形环的回弹补偿性能由其压缩率决定;镀银层对于O形环接触压力分布起到了均化作用,而对总体的压缩回弹特性影响不大。     

全金属可溶桥塞异形接触结构密封特性

全金属可溶桥塞作为一种新型压裂工具，其密封结构是影响压裂效率的关键因素。为探究不同密封环结构对密封特性的影响，建立单槽形、椭圆形、双槽形、双曲形4种金属密封环结构的数值模型，利用有限元法，对密封环径向变形特征、密封性能进行分析，以及考虑双曲形结构表面粗糙度对密封接触面积、接触应力、接触面近场应力分布的影响。研究结果表明：随着锥体轴向位移量增加，4种密封环径向变形始终与锥体轴向位移量呈正相关规律，密封环最大、最小径向变形分别位于厚度较大外圆侧、厚度较小外圆侧；复杂接触面可以强化密封环的密封性能，在同样锥体轴向位移量下，双曲形密封环结构密封性能为最好，椭圆形密封环结构性能最差；考虑切向摩擦力时，摩擦因数越大，接触面近场Mises应力沿摩擦力方向发生偏移越明显。所得结论可为井下全金属可溶桥塞密封环的结构优选提供参考。