為了研究U 形金屬密封環(huán)在不同工作條件下的密封性能，利用ABAQUS 軟件建立某U 形金屬密封環(huán)的二維軸對稱模型，在靜密封條件下計算分析U 形密封環(huán)初始壓縮量、工作壓力及工作溫度等操作參數(shù)對密封環(huán)最大Von Mises應(yīng)力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響。結(jié)果表明，在工作工況下，U 形密封環(huán)上最大Von Mises 應(yīng)力小于材料屈服極限，最大接觸壓力滿足密封要求，且在低溫條件下適當增大工作壓力可以提高其密封性能。根據(jù)計算結(jié)果，提出此U 形密封環(huán)的極限工作條件，對該U 形金屬密封環(huán)的設(shè)計和使用有一定的指導(dǎo)意義。

　　在液體火箭發(fā)動機的導(dǎo)管連接件中，對導(dǎo)管直徑較大( 一般在25 ～ 30 mm 以上) 的部位采用法蘭聯(lián)接。法蘭聯(lián)接的關(guān)鍵問題是選用合適的密封形式，通常有平墊片和壓力作用式兩種類型。由于壓力作用型密封元件在不同的壓力、溫度、介質(zhì)和環(huán)境中都能獲得可靠的密封效果，受到了科研工作者的重視。早在20 世紀70 年代，美國茜埃雷辛/漢里遜公司已開發(fā)出多種基體和鍍層材料。2004 年，馮秀等人對2種材料不同尺寸的Ω 環(huán)模型進行了彈塑性計算，得到了各危險截面處的內(nèi)壓- 應(yīng)變曲線，確定了各個模型的極限內(nèi)壓。2008 年，常潔和陳同祥計算了一種典型的法蘭-O 形密封圈結(jié)構(gòu)在特定壓縮率下O形圈的力學(xué)性能參數(shù)，并討論了摩擦因數(shù)等因素對密封性能的影響。2010 年，龔雪婷等采用ANSYS軟件在給定工況下對W 形環(huán)的彈塑性變形進行分析，討論了密封環(huán)操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響。2011 年，唐金濤等在分析一般O 形圈和Y 形圈密封原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的Y 形密封單元并成功用于多臺數(shù)控機床液壓平衡油缸的改造。2012 年，熊光明等針對CPR1000 反應(yīng)堆壓力容器使用的C 形密封元件，建立了實體模型、指環(huán)模型和當量圓筒模型3 類有限元分析模型并進行線彈性和彈塑性分析，結(jié)果表明基于中徑的當量圓筒模型能更好地反映C 形密封環(huán)的性能。SSME( 美國普惠公司洛克達因分部為航天飛機設(shè)計的主發(fā)動機) 使用了由鍍銀的鎳基材料制成的“U”形壓力作用式密封元件，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)對U 形金屬密封環(huán)密封性能的研究極少。

　　本文作者利用ABAQUS 軟件建立了某U 形環(huán)的二維軸對稱有限元模型，計算了U 形金屬密封環(huán)在預(yù)緊工況和工作狀態(tài)下所受的Von Mises 應(yīng)力及密封面上的接觸壓力的分布情況，分析了預(yù)壓縮量、工作壓力及工作溫度等操作參數(shù)對密封接觸面最大VonMises 應(yīng)力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響規(guī)律，提出了此U 形密封環(huán)的極限工作條件，對該U 形金屬密封環(huán)的設(shè)計和使用有一定的指導(dǎo)意義。

1、U 形金屬密封環(huán)有限元模型的建立

　　如圖1 所示，U 形金屬密封環(huán)是一個安裝在上下法蘭之間的三維軸對稱實體。工作時，不僅受到上下法蘭的壓緊力，還受到管路內(nèi)部的介質(zhì)壓力，而這些作用力是關(guān)于管路中心線對稱的。因此，采用平面軸對稱模型對U 形密封環(huán)實體進行簡化，建立了U 形密封環(huán)某截面的二維軸對稱模型。對上下法蘭盤采取同樣的簡化方法，從而得到如圖2( a) 所示的有限元分析模型。

圖1 U 形金屬密封環(huán)安裝及結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 U 形密封環(huán)及法蘭的軸對稱有限元模型

2、結(jié)論

　　(1) 對比常溫預(yù)緊工況和低溫工作工況下U 形環(huán)上Von Mises 應(yīng)力分布及接觸壓力分布情況可知，低溫工作條件下，U 形環(huán)上應(yīng)力分布趨于均勻，且最大接觸壓力值更大，表明工作壓力的作用引起U 形環(huán)腿部發(fā)生回彈使其具有了更好的密封能力。但接觸壓力都只分布在U 形環(huán)與法蘭接觸面上很窄的區(qū)域內(nèi)，靠近內(nèi)側(cè)介質(zhì)的部分U 形環(huán)并沒有與法蘭面接觸，這不利于密封，可以通過對U 形環(huán)腿部結(jié)構(gòu)的改進解決。

　　(2) 分析了初始壓縮量、工作壓力和工作溫度對U 形金屬密封環(huán)密封性能的影響，得到了該密封環(huán)最佳初始壓縮量為0.30 ～ 0.40 mm，最大工作壓力為26MPa，而由于GH4169 材料具有良好的低溫性能，該密封環(huán)在- 183 ℃甚至更低的- 253 ℃都可以滿足密封要求。