高压氢气环境下橡胶O形圈静密封结构有限元分析

利用ABAQUS软件建立了高压氢气环境下橡胶O形圈静密封结构的有限元分析模型,研究了高压氢气作用下由于橡胶材料的吸氢膨胀对O形圈变形及应力的影响,探讨了不同初始压缩率、氢气压力、沟槽间隙、有无挡圈等工况下O形圈最大Von Mises应力、最大剪切应力和最大接触应力的变化规律。结果表明:高压氢气环境下,吸氢膨胀会导致橡胶O形圈的截面高度和面积的增加,但对O形圈的应力基本无影响。增加O形圈压缩率会提高初始安装工况下的接触应力,有利于初始密封的形成,但当介质压力较大时,过高的压缩率会显著增加剪切应力,导致O形圈发生剪切破坏。相较于低压工况,高压下密封沟槽间隙对O形圈的Mises应力和剪切的影响非常显著,较大的沟槽间隙会使O形圈发生挤出和剪切破坏,而安装密封挡圈可明显改善O形圈的变形和应力情况,有效防止O形圈被挤入沟槽间隙,同时提高密封性能。     

帽形滑环式组合密封的密封性能研究

采用ABAQUS软件建立帽形滑环式组合密封有限元模型,研究不同工作压力、密封间隙、运动速度和摩擦因数对其密封性能的影响规律。研究结果表明:静密封工况下,活塞杆与O形圈间的最大接触应力是影响密封性能的关键因素,随着工作压力的增大或密封间隙的减小,O形圈与帽形滑环的最大Von Mises应力均逐渐增大,各表面间的接触应力也逐渐上升;动密封工况下,工作压力越大、密封间隙越小,接触应力越大,密封间隙为0.3 mm其动密封性能最优,而随摩擦因数的增大,接触应力总体呈上升趋势,运动速度则对于接触应力基本无影响。     

基于实际间隙的全回转推进器桨毂动密封性能研究

全回转推进器桨毂动密封采用O形密封,其实际间隙的改变直接导致压缩率变化,从而对密封性能产生影响。从设计角度和工作角度对桨毂密封端面的实际间隙进行分析,研究服役过程中的装配误差、实际工况和摩擦磨损导致的间隙变化规律以及相互耦合。基于该实际间隙,在ABAQUS软件中建立桨毂动密封有限元模型,分析不同压缩率和介质压力下动密封的密封性能,如Mises应力、润滑脂油膜厚度和压力等,揭示了不同间隙下桨毂动密封性能的变化规律。结果表明:随着压缩率增大,最大Von-Mises应力和最大油膜压力增加,最小油膜厚度略微减小,最大Von-Mises应力由O形密封圈与桨叶法兰主接触区和桨毂体侧壁渐渐向主接触区过渡;随着介质压力增大,最大Von-Mises应力和最大油膜压力增加,最小油膜厚度略微减小,最大Von-Mises应力由O形密封圈与桨叶法兰主接触区和桨毂体底部逐渐向法兰低压接触区过渡;最大油膜压力始终大于油压值,动密封不会发生失效;通过适当增加装配间隙和介质压力有利于密封圈在自密封作用下获得更好的密封性能。     

工况因素对S密封结构强度与密封性能的影响

S密封是为满足石油天然气行业的高温、高压和复杂的流体介质工况而专门设计的一类特殊密封圈。为研究S密封的结构强度和密封性能,建立S密封圈二维轴对称模型,仿真研究其在安装工况和作业工况下压缩量、介质压力和温度载荷对密封面结构强度和密封性能的影响规律。结果表明:在安装工况时, S密封圈弹性体最大等效应力和最大剪切应力出现在密封圈内部中心位置,最大等效应力分布呈轴向对称;在作业工况时,最大等效应力和最大剪切应力在中间靠近间隙位置;随着外过盈量和介质压力增大,弹性体最大等效应力和内外接触应力均呈现增大趋势;温度增加时,最大等效应力和内外最大接触应力均增加,但最大等效应力增加趋势较小。研究结果为S密封圈的性能和强度优化研究提供理论支撑。     

C形双面组合密封装置密封性能分析

为进一步研究C形双面组合密封圈在往复运动中的密封特性,基于力学和有限元理论,以活塞处C形双面密封圈为研究对象,利用三维软件建立C形双面密封装置结构模型,利用有限元分析软件ANSYS仿真分析空载工况下不同过盈量和受载工况下不同介质压力对C形双面密封圈的应力和变形的影响。结果表明:空载工况下应力和变形随着过盈量增大而增大,最大变形出现在靠近与缸壁接触处;负载工况下应力和变形随着介质压力增大而增大,且应力均集中于密封圈上下部,而最大变形区域出现在密封圈进油口下部。     

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。     

潜水器观察窗试验压力容器密封性能分析

为了对深海载人潜水器观察窗进行力学性能、疲劳寿命和裂纹扩展试验,提出可模拟海底7000米海水压力的高压容器,并选用O形圈作为密封设计。基于MARC软件建立该压力容器的O形圈二维轴对称模型,计算其在不同密封间隙,不同压缩率下的接触压力和Von Mises应力分布。结果表明,在高压力作用下,O形圈的变形量和最大Von Mises应力值与密封间隙呈线性增加的关系,但与压缩率的关系并不明显。最终得到密封参数设计的最优解,为高压容器的密封结构设计及选型提供相关参考。     

水下机器人耐压壳体O形圈密封性能有限元分析

由于水下机器人工作环境的特殊性,对其耐压壳体的密封性能有严格要求,而其O形密封圈在其中起到至关重要的作用。文中基于橡胶密封结构的非线性有限元理论,应用有限元分析软件ABAQUS建立O形密封圈的二维轴对称模型,对某水下机器人耐压壳体中O形密封圈在设计条件下的受力情况及特性进行了分析,得到了在设计水深条件下的O形密封圈变形情况、应力分布及最大接触压力。结果表明：密封面上最大接触压力大于外部海水压力。通过试验验证了某耐压壳体密封设计的可靠性。     

偏置状态对组合密封性能影响的研究

针对组合密封在偏置状态下密封性能的变化,利用ABAQUS有限元分析软件进行了仿真与研究。建立了不同偏置状态下旋转组合密封的有限元模型,并利用ABAQUS流体渗透功能对流体压力加载后组合密封的应力分布及接触压力曲线进行了对比分析,总结了不同偏置状态下密封性能的变化规律。基于仿真结果对组合密封使用与维护提出建议,为组合密封结构改进提供一定的参考。     

水下环境下不同密封结构形式性能分析

为选择合理的水下装备密封结构形式,对格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈在水下环境下的密封性能进行分析。采用ABAQUS软件分别建立4种密封结构的有限元分析模型,研究4种密封结构在预压缩阶段、变压缩率和变外界压力下的等效应力、接触应力和剪切应力变化规律,对比分析4种密封结构的密封性能。研究结果表明：相同的初始压缩率下,矩形圈最大等效应力最大,然后依次是X形圈组合、格莱圈、O形圈,矩形圈最大接触应力和最大剪切应力最大,然后依次是X形圈组合、O形圈、格莱圈,矩形圈在初始压缩阶段具有更好的密封性能;随着初始压缩率和外界压力的增大,格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈的最大等效应力、接触应力、剪切应力随之增大,其中矩形圈和X形圈组合的应力增长率较高。矩形圈和X形圈组合在密封能力方面较优,但其等效应力和剪切应力水平过高,容易诱发密封失效;格莱圈和O形圈虽然在密封能力方面不如矩形圈和X形圈组合,但其最大等效应力和最大剪切力较小,故其用作密封时寿命更长。     

参数化机械密封中静环摩擦副相容性设计方法*

高温、高压、高速等极端工况对机械密封的设计提出了更高的要求,在对高参数机械密封结构、使用工况及受损件分析的基础之上提出静环摩擦副的相容性设计方法。该方法的核心是在设计过程中考虑机械密封静环摩擦副石墨和不锈钢的相容性问题,相容性的判断依据是石墨环所受热应力是否超过其机械强度许用值。建立静环摩擦副的有限元仿真模型,通过实例对静环摩擦副的相容性问题进行了说明。研究结果表明：通过相容性设计可以调整机械密封静环摩擦副石墨环所受的热应力,减少高参数工况下机械密封失效问题的发生。     

基于ABAQUS的橡胶密封圈应力松弛分析

橡胶O形密封圈在高温工况下会发生应力松弛并导致密封失效。基于橡胶黏-超弹本构模型,利用有限元软件ABAQUS建立橡胶O形密封圈与沟槽接触的非线性有限元模型,分析O形密封圈在不同压缩率、不同油压、不同温度下的应力松弛情况及应力分布。结果表明:接触界面上的接触应力分布近似呈抛物线;O形密封圈应力在初期先急剧衰减,而后逐渐缓慢降低;压缩率和油压对应力松弛影响不大,但油压太大会降低密封可靠性;温度升高使应力松弛速率明显增大,并使最终应力降低,降低密封的可靠性。     

O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟

利用ABAQUS软件建立海底采油设备用O形密封圈轴对称模型,对其在不同压缩率、不同油压时的Von Mi-ses应力及密封面接触压力分布规律进行探讨,确定O形密封圈材料易失效位置;分析压缩率和油压对O形密封圈最大Von Mises应力、最大接触压力及最大接触压与油压压差的影响。结果表明:O形密封圈最大Von Mises应力、密封面最大接触压力随压缩率和油压的增加而增加,且O形密封圈在中低高压下的密封能力高于超高下的密封能力,为海底采油设备用O形密封圈的结构设计及选型提供相关参考。     

Y形组合密封的密封性能研究

应用ABAQUS软件建立YO组合密封的有限元模型,分别比较Y形组合密封与Y形密封、聚氨酯和丁腈橡胶2种材料的Y形组合密封,在密封区域的静态接触压力和Mises应力分布,分析O形圈截面直径对2种材料Y形组合密封性能的影响规律。结果表明：Y形组合密封在密封区域的接触压力和Mises应力均大于相同规格、材料的Y形圈,且外行程时Y形组合密封接触压力增大更明显,应力分布更均匀,验证了Y形组合密封的双重密封和改善根部抗撕裂的特性;在O形圈截面直径相同的情况下,聚氨酯组合密封外行程与内行程的最大接触压力差值远远高于丁腈橡胶组合密封,而丁腈橡胶组合密封Mises应力分布更均匀;随着O形圈截面直径的增大,聚氨酯组合密封的最大接触压力呈现先增大后减小的趋势,丁腈橡胶组合密封呈现逐渐减小的趋势,但两者的Mises应力均呈现逐渐增大的趋势,且丁腈橡胶组合密封增大更显著。研究结果为不同工作条件下密封件的选择提供了参考依据。     

热机耦合作用下冲击螺杆钻具传动轴密封性能分析*

针对高温、三维复合运动(往复+旋转)耦合作用下冲击螺杆钻具传动轴总成密封失效问题,设计氢化丁腈橡胶热老化试验,基于热老化试验数据建立热老化效应冲击螺杆钻具传动轴总成O形密封圈三维有限元模型,采用有限元方法研究流体压力、温度、摩擦因数和往复速度对传动轴总成O形密封圈静密封及动密封性能的影响。结果表明:静密封状态下高应力区位于O形密封圈右侧,高接触压力区位于O形密封圈内接触面、外接触面和侧面,最大von Mises应力和最大接触压力随着流体压力和温度的增大而增大,最大接触压力整体上随着摩擦因数的增大而减小;动密封状态下最大von Mises应力和最大接触压力在往复速度为0.4 m/s和摩擦因数为0.25出现异常规律,最大von Mises应力和最大接触压力随着流体压力和温度的增大而增大。由此建议密封圈在静密封和动密封状态,在往复速度小于0.4 m/s和较小摩擦因数下运行。     

T形滑环组合密封圈密封性能研究

利用ANSYS建立T形滑环组合密封的二维轴对称有限元模型,将密封结构划分为4个密封区域,研究静、动密封状态下介质压力、密封间隙、摩擦因数和T形滑环斜边与垂直线之间的角度,对组合密封圈密封性能的影响。仿真结果表明,T形滑环组合密封可以满足研究的压力范围下的静、动密封要求。其最大Von Mises应力和最大接触应力随介质压力增大而增大,随密封间隙增大而减小;最大Von Mises应力和最大接触应力随滑环斜边与垂直线之间角度增大而增大,当角度为2.5°～7.5°时,组合密封可达到密封要求且滑环不易磨损;摩擦因数越小,组合密封动密封性能越好。     

有缆智能配水器O形圈密封模拟研究

为研究有缆智能配水器密封用O形圈在高温高压工况条件下各密封参数的变化规律，利用ABAQUS有限元仿真软件，分析不同摩擦系数、沟槽倒角、沟槽底圆、压缩率、密封间隙对O形圈有效应力的影响规律。采用正交试验对五种密封参数作用下的O形圈最大有效应力进行极差分析。结果表明：O形圈最大有效应力随摩擦系数、密封间隙增大而增大，随沟槽倒角、压缩率增大而先减小后增大，随沟槽底圆增大而呈现波动现象且波动范围很小；影响O形圈最大有效应力的主要因素从大到小依次为摩擦系数、密封间隙、沟槽倒角、压缩率和沟槽底圆。采用优化密封参数后的有缆智能配水器目前已成功应用90余井次，密封效果良好，目前皆处于正常运转状态。     

三轴可燃冰试验机X形密封圈密封性能分析

为研究三轴可燃冰试验机轴向加载杆用X形密封圈在工作时的密封性能,利用ABAQUS软件建立X形密封圈结构的二维轴对称模型,讨论了静密封中的介质压力、压缩量、摩擦系数以及特定试验工况下往复动密封对X形密封圈密封性能(应力)的影响。研究结果表明,在高介质压力下,加装挡圈可以明显改善密封圈应力集中现象;在各影响因素下,X形密封圈的接触应力均能满足密封要求,并且剪切应力均小于橡胶材料的剪切强度,不会造成X形密封圈的撕裂破坏;因为摩擦系数的增加使X形密封圈摩擦应力增加,容易造成X形密封圈的磨损失效,所以摩擦系数的选择不宜过大。在动密封分析中,X形密封圈满足密封要求,卸载过程中各应力值大于加载过程中的各应力值,使三轴可燃冰试验机可以在良好的密封状态下进行试验。     

O形圈动密封特性的有限元分析

利用软件ABAQUS建立了O形圈的轴对称有限元模型,分析了其在往复动密封中的密封性能,并对其不同工况下的力学性能进行了研究。结果表明:往复动密封中,O形圈主密封面最大接触应力与Von Mises应力的作用位置随运动方向的变化而改变,且大小随时间呈波动变化;速度小于0.25 m/s时,速度对摩擦力与剪切应力几乎无影响;随着摩擦系数、介质压力的增大,摩擦力与剪切应力对速度的敏感性变高;介质压力与摩擦系数对摩擦力与剪切应力影响较大,剪切应力与摩擦力呈同步变化;密封外行程Von Mises应力与剪切应力均大于内行程,更易引起疲劳与剪切破坏;预压缩率增加到一定值时,O形圈在动密封中所受的摩擦力急剧上升,动密封中预压缩率不宜过大。     

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。