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。     

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。     

W形密封结构金属封隔器性能研究

针对橡胶封隔器难以适应150 ℃、70 MPa以上环境的缺点,设计一种适用于230 ℃、70 MPa工况,两端传递载荷,中间中空促进径向变形的W形密封结构的金属封隔器,并研究其密封性能。根据工况需求,以温度依赖性和超弹性激发应力选择β-NiTi合金作为W形密封结构材料,以W形结构坐封后产生的接触应力评价其密封性能,以工作承压后W形结构的弹性-超弹性应变率评价其解封性能,分析W形密封结构半径、壁厚及壁厚比对其密封性能的影响,并对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析。结果表明：结构半径对W形密封结构的密封性能和解封性能影响较小,而壁厚与壁厚比均显著影响密封性能和解封性能;随着壁厚的增加,W形密封结构的密封性能逐渐下降但解封性能逐渐上升,随着壁厚比的增加,密封性能逐渐下降解封性能先上升后下降。对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析,结果表明,基于β-NiTi合金材料的W形密封结构金属封隔器完全可以适用于高温高压环境,其在230 ℃、70 MPa的工况下坐封载荷为220 kN,弹性-超弹性应变率达90%以上。     

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。     

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。     

反应堆压力容器用金属C形密封环力学及密封特性研究

为研究反应堆压力容器用金属C形密封环的力学及密封特性,采用有限元分析法对其进行模拟仿真,并与试验结果对比验证了模型的准确性和可靠性。在此基础上,分析了C形密封环所处温度、材料等参数对其压缩回弹特性曲线、回弹率、接触压力、接触宽度等力学特性和密封特性的影响。结果表明,C形密封环在高温环境下的压缩回弹性能和密封性能均差于常温环境;C形密封环各部分材质对其压缩回弹性能和密封性能存在影响,并提出了一组性能较优的材料组合,可为C形密封环的实际工程应用提供参考。     

W形结构缠绕垫片压缩-回弹性能的研究

在V形结构的基础上,通过简化力学模型的受力分析,建立力与变形之间的关系,从而获得W形结构的弹性变形公式。通过与V形结构弹性变形公式的比较,采用5.5 mm、6.0 mm、6.5 mm宽的平钢带进行厚度为4.5 mm标准系列缠绕垫片的合理结构设计,在确定的工艺参数（钢带切向拉紧力为14.7 N、径向压紧力0.25 MPa）和组合安装按GB 4622.3-93规定的条件下,对304＋柔性石墨内外环缠绕垫片进行压缩-回弹性能试验。结果表明：W形金属柔性石墨缠绕垫片的回弹性能优越于V形,且强度和刚度较大,在高压、危险工况、预紧载荷较大的法兰连接系统条件下使用更加安全可靠;W形金属柔性石墨缠绕垫片的回弹性高出国标十几个百分点,达到了国际先进水平。     

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。     

航空发动机高温W形金属密封环的失效分析及优化验证

为解决某型航空发动机试车过程中W形金属密封环剥落失效问题,在完成断口分析的基础上,对W形金属密封环装配应力、工作应力进行分析。结果表明,初始装配时的压缩量偏大、工作环境压差较高是造成密封环剥落的主要原因。对W形密封环各参数的影响进行分析,提出合理控制初始装配压缩量范围、增加壁厚的改进措施。发动机长试验证了W形密封环改进措施的有效性。     

某航空发动机金属密封环优化设计研究

为了满足特殊工况下发动机中的密封要求,对W形金属密封环综合性能进行研究。对W形金属密封环进行参数化建模,采用数值模拟正交试验法,应用ANSYS软件进行W形密封环的密封性能的分析计算,根据多指标数值模拟正交仿真试验计算结果,运用MATLAB软件建立W形金属密封环关于其主要结构参数的多元线性回归方程。为保证其密封性能,应求得在最大Von-Mises等效应力不超过材料屈服极限条件下,寻找接触应力的最大值。通过C语言程序设计在其各结构参数限定范围内求解其极值,并得到极值对应的结构参数;对优化后的结构进行ANSYS模拟,并对结果进行检验,从而证明了优化设计的可靠性。     

汽车排气管V形金属密封环设计与优化

针对汽车排气管密封问题,设计一种适合汽车排气系统密封的V形金属密封环。该密封环采用平面接触、小接触压力方式,在满足密封要求的同时避免了较大的预紧力;在波谷处采用圆弧过渡,降低了密封环的整体刚度,侧边倾斜一定角度以增大密封环的回弹性能。利用ANSYS Workbench软件对V形金属密封环常温预紧和高温工况下的密封性能进行分析,在保证密封强度要求下确定安装时合适的轴向压缩量;分析密封环结构参数对密封性能的影响,发现壁厚、环宽、波谷半径、接触圆半径、开口角度对密封性能影响较大。基于Design-Expert软件对密封环结构参数进行多目标优化,从而降低了密封环最大等效应力,提高了最大接触压力,减小了密封环质量,并通过相关实验验证有限元模型的可靠性。     

多功能全工况金属弹性密封圈试验台研制

为评价航空发动机金属弹性密封圈在全工况下的性能,研制一种可模拟金属弹性密封圈全工况条件的多功能试验台,该试验台可实现受轴向加载的金属弹性密封圈的高温密封试验,能完成精确模拟压缩量的弹性试验以及轴向载荷谱加载的疲劳试验等,为评价金属弹性密封圈性能提供试验手段。采用该试验台对某W形封严环进行密封、弹性、疲劳试验。试验结果与样件产品的性能参数相当,并在试验中实现了精确模拟压缩量以及轴向载荷谱的加载。     

CPR1000核反应承压容器C形环密封特性仿真分析方法研究

建立核反应承压容器C形环1∶13缩比模型,综合考虑弹簧丝螺旋效应、弹塑性、大变形、接触多重非线性及耦合效应,对C形环密封特性进行仿真分析,得到缩比模型压缩回弹密封特性曲线、有效回弹量及总回弹量等关键性能参数。C形环缩比模型有限元数值模拟结果与实际数据趋势相同,验证了分析方法及计算模型的合理性。以此为基础,提出实际尺寸C形环仿真分析方法,分析得到其密封特性参数及曲线。实际尺寸C形环各项性能指标仿真结果与缩比模型仿真结果非常接近,为论证实际尺寸C形环的密封特性及其工程应用提供了依据。     

极限工况下蓄能密封环密封性能分析与实验探究

针对航天器大直径人孔及燃料贮箱在极限温度下的密封问题,基于ANSYS建立大尺寸蓄能密封环三维分析模型,在常温下通过压缩回弹性能、线载荷、密封接触面比压分布研究,得到蓄能密封环最佳压缩比例应在20%左右。在最佳压缩比20%下对低温（-196 ℃）和高温（176 ℃）工况下密封环密封性能进行有限元模拟分析。结果表明,该密封环低温工况下密封性能较常温工况没有明显变化,而高温工况下则有一定降低。在不同压力工况下对密封环进行氦气泄漏检测实验,发现该密封环常温工况下泄漏量小于低温工况和高温工况;在同一温度下密封压力变化时密封泄漏量变化较小。实验结果表明,该大直径密封环对密封面平面度要求较高,应严格控制安装及加工精度。     

航空发动机用W形金属封严环结构优化设计

为提高航空发动机W形金属封严环的密封性能,以某W形金属封严环为研究对象,建立金属封严环二维轴对称有限元模型,通过轴向刚度仿真与试验验证了仿真模型的正确性。利用ANSYS软件APDL语言和参数化技术对金属封严环结构尺寸进行参数化建模,以增大封严环与法兰间的接触应力为目标,利用ANSYS零阶优化算法对金属封严环进行结构参数优化,得到了其最优截面尺寸。结果表明:优化后W形金属封严环壁厚和波高有所减小,而最大接触应力提高了8.8%,最大Von-Mises应力降低了4.3%,因而可提升金属封严环密封性能和使用寿命;优化后W形金属封严环轴向刚度仅降低3.2%,对其力学性能影响不大。     

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。