| 标题 | 安全壳闸门用O形密封圈非线性有限元分析 |
| 范文 | 周新蓉++吴晨晖++丁巍 摘 要：安全壳人员闸门和设备闸门是保证安全壳压力边界密封性和完整性的重要组成部分。闸门密封性直接关系到人员的安全性。闸门通过O形密封圈实现密封功能，本文采用ANSYS Workbench17.0建立O形密封圈二维轴对称模型，通过两个荷载步模拟密封圈预压缩和受介质压力两种状态，研究不同密封沟槽尺寸、不同初始压缩率以及不同O形圈硬度下O形密封圈的变形、应力和最大接触应力的变化，为闸门密封设计提供依据和参考。 关键词：闸门；O形密封圈；非线性有限元分析；接触应力 中图分类号：TP391 文献标识码：A Abstract：The personnel airlock and equipment airlock are important parts for ensuring sealing and integrality of containment vessel. Its sealing propriety direct concerns peoples security. The airlocks sealing function is achieved by O-ring seal. Through ANSYS Workbench17.0，the two-dimensional axisymmetric finite element model of the rubber O-ring is established， two load steps are used to simulate the O-ring seals two cases. By analyzing the O-ring seals total deformation， von-mises stress and maximum contact stress under different seal groove， compression ratio， and hardness， the sealing effect law under different controlling factor is achieved， thus providing bases for the designing of airlock sealing. Keywords：airlock；O-ring seal；nonlinear finite element analysis；contact stress 0.引言 安全壳人员闸门和设备闸门作为安全壳压力边界的重要组成部分，在反应堆正常运行工况和异常工况期间，能保证安全壳结构的完整性和密封性。 O密封圈具有结构简单、密封可靠等优点，应用十分广泛，国内外也已有较多的使用和设计规范标准供参考，虽给设计带来一定方便，但想要分析优化设计，保证密封性能，还需有限元仿真进行分析，探索各影响因素的影响规律，为后期气密性实验提供可靠的密封方案，节约实验成本。 1.计算模型 1.1橡胶材料本构模型 橡胶材料的非线性主要表现在3个方面：（1）状态非线性，是由于接触状态的不确定引起；（2）几何非线性，橡胶材料在荷载的作用下会产生大变形，其位移-应变关系为非线性；（3）材料非线性，橡胶材料泊松比接近0.5，几乎不可压缩，还会产生蠕变和松弛，属于超弹性材料。 橡胶材料的应力应变关系使用应变能密度函数来描述，在ANSYS中使用Mooney-Rivlin模型描述橡胶材料的本构关系，含有两个参数的Mooney-Rivlin方程为： W=C10（I1-3）+C01（I2-3） 式中，W表示應变能，I1、I2表示第一、第二Green应变不变量，C10、C01为Mooney-Rivlin系数。 橡胶材料选用三元乙丙橡胶，根据橡胶材料的硬度或弹性模量可计算两个参数的具体值，对肖氏硬度为70，弹性模量为5.54MPa的橡胶圈，式中C10=738889Pa，C01=184722Pa。 假设橡胶材料不可压缩，并假设上下法兰为刚体，具体参数见表1。 1.2有限元模型 在ANSYS Workbench17.0中建立橡胶压缩组件的平面轴对称模型，如图1所示，上下法兰为钢材。为保证计算精度和收敛性，均采用四面体网格进行划分。 模型中包含两个接触对：（1）上法兰与O形圈的接触；（2）下法兰与O形圈的接触。均为摩擦型接触，摩擦系数为0.2，接触算法采用增强的拉格朗日乘子法。荷载的施加分为两个荷载步：（1）对上法兰施加向下的位移载荷，模拟预压缩状态下的O形圈初始压缩变形；（2）在O形圈左侧边界上施加均布压力荷载，模拟操作状态下O形圈受介质压力的作用。 闸门所受最大介质压力为0.65MPa，基于该介质压力以及O形圈的规格，探索不同压缩率、不同沟槽宽度和不同肖氏硬度下的密封性能。 2.计算结果与分析 2.1两种受力状态下的结果分析 闸门关闭后，O形圈在径向产生一定的压缩量，为预压缩状态，然后O形圈受到介质压力的单侧作用，为受介质压力状态，两种状态下的von-Mises应力云图如图2所示，预压缩状态下最大von-Mises应力呈哑铃状，在施加介质压力后，最大应力向右侧移动。 位移和介质压力均以斜坡荷载的形式施加在O形圈上，图3显示了最大von-Mises应力和最大接触应力随两个荷载步的变化，在预压缩时，最大von-Mises应力和最大接触应力随着压缩量的增加呈线性增长，当施加介质压力时，最大接触应力的增长幅度大于最大von-Mises应力，体现了O形圈在介质压力下的自密封作用。 2.2不同压缩率下的结果分析 对于静密封，O形圈的压缩量选取范围为15%～25%，依据国标规定的沟槽尺寸设计时，最大压缩量为16.4%，另计算压缩量为20%、25%下的von-Mises应力和变形，对O形圈左侧施加的均布压力为0.65MPa，计算结果见表2。 由于O形圈密封截面上的最大接触压应力不小于工作压力时才能保证密封，可见，不同压缩率下最大接触应力均大于介质压力，都能满足密封性要求，但在保证密封性的前提下，压缩率应尽量小以避免永久性变形。 图4是不同压缩率、相同介质压力下O形圈的von-Mises应力云图，可以看出，最大应力出现在O形圈中间靠下部，随着压缩率的增大，应力逐渐向下部转移。 2.3不同沟槽宽度下的结果分析 分别计算沟槽宽度为9.5mm和7mm时的O形圈的受力状态，进行对比。计算的压缩率为16.4%，介质压力为0.65MPa。在预压缩状态下，两种沟槽宽度的von-Mises应力云图如图5所示。沟槽宽度为9.5mm的O形圈仅右侧受到挤压，最大von-Mises应力呈哑铃形状，而沟槽宽度为7mm的O形圈两侧均受到的挤压，最大应力出现在哑铃状靠下部。 两种沟槽宽度时预压缩状态和受介质压力状态下最大von-Mises应力和最大接触应力结果见表3，在预压缩时，沟槽宽度为7mm的O形圈应力大于9.5mm时的应力；在受到介质压力后，沟槽宽度为7mm的O形圈应力小于9.5mm时的应力。为保证受介质压力时的密封性要求，并考虑到减小O形圈的残余变形，沟槽宽度选取9.5mm更合适。 2.4不同硬度下的结果分析 分别计算O形圈肖氏硬度为60、70、80时，在受到0.65MPa介质压力下的应力和变形，von-Mises应力云图如图6所示，最大应力和变形值见表4。 对比图6的von-Mises应力云图，硬度为60的O形圈最大应力发生在边界部位，而硬度增加后，最大应力发生部位变为中间哑铃状处，但O形圈与法兰的接触宽度随着硬度的增加而减小。 分析表4中应力数据可得，最大von-Mises應力和最大接触应力随着硬度增加增长较快，接触应力大有利于保证密封性能，但对橡胶材料的强度也有更高的要求。 从耐久性考虑，硬度稍大的O形圈性能较好，但硬度过大会减小密封接触宽度从而降低密封效果。 结论 通过分析得到安全壳闸门用O形密封圈有如下结论： （1）从预压缩到施加介质压力后，O形圈与法兰的接触应力增大较明显，可说明O形圈具有一定的自密封作用。 （2）O形圈的压缩量越大，与法兰的接触宽度越大，接触应力也越大，故密封性能越好，但O形圈所受应力也越大，越容易使O形圈发生应力松弛和永久变形，故在保证密封性的前提下，压缩量应尽量小，本文选取压缩率为16.4%的方案。 （3）考虑到使von-Mises应力较小的情况下增大接触应力从而提高密封性能，使O形圈在预压缩状态下单侧受压的沟槽宽度比双侧受压的沟槽宽度更合适。故选取密封沟槽宽度为9.5mm的方案。 （4）硬度越小的O形圈，在受到介质压力时，接触宽度越大，但接触应力越小，且更容易产生局部破坏，针对本文闸门的设计工况，硬度为70的O形圈更为合适。 参考文献 [1]张洪才.ANSYS14.0理论解析与工程应用实例[M].北京机械工业出版社，2015. [2]KaraszkiewiczA.Geometry and contact pressure of an O-ring mounted in a seal groove[J].IndEngChem Res，1990，29：2134-2137. [3]王伟，邓涛，赵树高.橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定[J].特种橡胶制品，2004，25（4）：7-10. [4]关锦文，杜群贵.橡胶O形圈密封性能的有限元分析[J].润滑与密封，2012，37（6）：60-64. [5]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003. [6]付平，常德功.密封设计手册[M].北京：化学工业出版社，2009. [7]陈国定，HaiserH，Hass W，O形密封圈的有限元力学分析[J].机械科学与技术，2000，19（5）： 740-742. |
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