彈簧加強(qiáng)金屬C 形環(huán)是一種性能優(yōu)良的靜密封元件，為研究結(jié)構(gòu)對C 形環(huán)力學(xué)性能以及密封面接觸特性的影響，建立彈簧加強(qiáng)金屬C 形環(huán)三維仿真模型，采用有限元方法分析C 形環(huán)的壓縮回彈特性。仿真結(jié)果與壓縮回彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論模型的正確性。分析C 形環(huán)密封面上接觸區(qū)域和接觸壓力的變化規(guī)律，討論C 形環(huán)結(jié)構(gòu)對密封特性的影響。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為：在相同的載荷下，C 形環(huán)卸載時(shí)的接觸區(qū)域比加載時(shí)的大，表明在卸載階段C 形環(huán)在更低載荷下即可維持同等密封效果; 螺旋彈簧使C 形環(huán)具備良好的回彈性能，能更好地應(yīng)對使用工況的波動; 銀層使法蘭與密封環(huán)的接觸界面實(shí)現(xiàn)良好密封，合金層起保護(hù)銀層和平穩(wěn)傳遞接觸力的作用。

　　金屬C形環(huán)因其在高溫高壓下具有優(yōu)越的密封性能而被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、火電、石化、冶金等行業(yè)，常見的C 形環(huán)截面結(jié)構(gòu)包括兩大部分：內(nèi)部是由絲材繞制而成的螺旋彈簧，作為彈性主體；外部是C 形包覆層，由里層的合金包覆層和外層的軟金屬包覆層組成，軟金屬包覆層材料具有良好的延展性，其塑性變形能充分彌補(bǔ)法蘭密封面的缺陷，通常采用銀或鋁等材料。

　　目前關(guān)于C 形環(huán)的研究還較為少見，早期有日本和以色列學(xué)者研究了不含螺旋彈簧的金屬C 形環(huán)的壓縮回彈特性以及密封性能，近幾年來，有德國學(xué)者將螺旋彈簧近似為等效的O 形環(huán)，建立C形環(huán)的二維軸對稱模型，研究了包覆層松弛和蠕變對密封比壓的影響；國內(nèi)有學(xué)者將螺旋彈簧近似成一系列緊密并排的O 形圈，討論了結(jié)構(gòu)對C 形環(huán)的壓縮回彈特性的影響。

　　綜上所述，關(guān)于彈簧加強(qiáng)的金屬C 形環(huán)的研究很少，相關(guān)的仿真和分析不夠完善，關(guān)于結(jié)構(gòu)對密封面接觸和變形特性影響的研究還處于空白。因此，本文作者針對C 形環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立三維模型，運(yùn)用有限元方法分析其壓縮回彈特性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較；進(jìn)一步分析密封面上接觸區(qū)域和接觸壓力隨載荷的變化規(guī)律，闡述C 形環(huán)的密封機(jī)制，討論結(jié)構(gòu)對C 形環(huán)密封特性的影響，為C 形環(huán)的選用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1、有限元模型

　　以外徑尺寸D = 318 mm 的C 形環(huán)為算例進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，相關(guān)參數(shù)如下: 螺旋彈簧的材料為Inconel-X750，匝數(shù)N = 507，線徑Ds = 1.8mm，合金層的材料為Inconel600，厚度t1 = 0.5 mm，軟金屬層的材料為銀，厚度t2 = 0.3 mm。

圖1 C 形環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

　　C 形環(huán)的結(jié)構(gòu)沿周向具有周期性，每半匝彈簧所對應(yīng)的C 形環(huán)片段即構(gòu)成一個周期，但彈簧的螺旋性導(dǎo)致相鄰周期片段之間并不是對稱的，如果只取一個周期進(jìn)行分析，邊界條件難以準(zhǔn)確模擬。此外，彈簧之間的接觸以及材料的非線性給分析帶來了很大的困難，之前有學(xué)者將螺旋彈簧簡化成O 形管或者一匝匝緊密并排的O 形圈，這樣會增大結(jié)構(gòu)的剛度和彈簧之間的接觸，使分析結(jié)果不準(zhǔn)確，也無法獲得接觸壓力的真實(shí)分布情況。考慮到C 形環(huán)結(jié)構(gòu)的周期性，為盡可能減少計(jì)算量，本文作者選取三匝彈簧所對應(yīng)的C 形環(huán)片段建模，在周向邊界上近似地施加面對稱約束，得到計(jì)算結(jié)果后只選取中間的一段進(jìn)行分析，以便排除邊界效應(yīng)的影響。

　　用剛性平面模擬實(shí)驗(yàn)臺壓縮C 形環(huán)所用的厚法蘭，有限元幾何模型如圖2(a) 所示�？紤]到金屬C形環(huán)變形時(shí)材料發(fā)生塑性流動和塑性強(qiáng)化，采用多線性等向強(qiáng)化材料模型模擬材料的彈塑性。在保證計(jì)算精度的前提下劃分網(wǎng)格，為減小計(jì)算量，選用三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元模擬包覆層，用三維十節(jié)點(diǎn)四面體單元模擬螺旋彈簧，用三維接觸單元模擬剛性平面與銀層之間、合金層與螺旋彈簧之間、螺旋彈簧內(nèi)側(cè)之間的接觸對，在周期片段的斷面處施加面對稱約束。有限元網(wǎng)格模型如圖2(b) 所示，單元總數(shù)168 725，節(jié)點(diǎn)總數(shù)162 506。

圖2 C 形環(huán)有限元模型

　　加載時(shí)，上、下剛性平面向中心靠近壓縮C 形環(huán)，模擬預(yù)緊的過程；卸載時(shí)，上、下剛性平面距離加大，模擬法蘭面分離引起的C 形環(huán)回彈。

4、結(jié)論

　　(1) 建立了C 形環(huán)的三維真實(shí)模型，有限元仿真得到的壓縮回彈特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，該有限元模型可用于預(yù)測不同尺寸C 形環(huán)的壓縮回彈性能。

　　(2) 分析了C 形環(huán)密封面的接觸特性，得到接觸區(qū)域和接觸壓力隨載荷的變化規(guī)律，并詳細(xì)闡述了C 形環(huán)的密封機(jī)制，結(jié)果表明C 形環(huán)具有良好的密封性能。

　　(3) 討論了結(jié)構(gòu)對C 形環(huán)密封性能的影響: 螺旋彈簧使C 形環(huán)具備良好的回彈性能，能更好地應(yīng)對使用工況的波動，銀層使法蘭與密封環(huán)的接觸界面實(shí)現(xiàn)良好密封，合金層起保護(hù)銀層和平穩(wěn)傳遞接觸力的作用。