不同温度下主轴复合密封结构静动态数值模拟研究

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航天器中密封结构形式多样,且多工作于苛刻环境、用于关键部位,其密封性能直接影响航天器的发射和运转。本文对某型号航天器中两种运动形式的主轴(往复轴、旋转轴)橡塑复合密封结构进行数值模拟,分别研究其常温20℃、低温-40℃和高温120℃三种温度下,复合密封件安装、压力下轴静态、压力下轴动态时的密封性能。两种复合密封件均由橡胶材料辅助密封件和填充聚四氟乙烯材料主密封件组成。对不同温度下各种工况进行数值模拟研究,可以全面掌握两种结构的密封性能,预测易损部位,提高密封可靠性。本文首先分析了流体静、动态密封原理,介绍了聚四氟乙烯和橡胶材料的性能特点。由于橡胶材料的特殊性,其力学特性不能简单用弹性模量和泊松比来表征,故本文对其本构模型及试验建立方法进行了讨论,同时在不同温度下进行力学性能试验获取材料应力应变数据,利用MARC软件拟合得到不同温度下橡胶材料的本构方程。分别建立了往复轴和旋转轴复合密封结构静、动态下的非线性有限元模型,对该两种复合密封件在不同温度下的静、动态密封性能进行数值模拟研究,在获得各自的位移、变形、应力场分布的基础上,分别全面探究了温度变化和轴运动对两种结构静、动态工作性能的影响及规律,确定了系统薄弱环节。并对往复轴复合密封件常温安装下的接触应力进行了实验验证。分别分析了两种复合密封结构决定动密封性能的关键因素;并通过逆解雷诺方程,获得了往复轴复合密封结构中动密封区上决定泄漏量的关键点上油膜厚度,从理论上计算了泄漏量。最后,分别模拟研究了工况条件(如工作介质压力P和预压缩率W)和结构参数对两种复合密封结构密封性能的影响,找到了工况条件P、W,结构参数如L环唇口厚度、圆角半径等,方环总宽、环下部中间宽度等,对各自静、动态密封性能的主要影响及影响规律,并分别给出了适用于本文工况的综合密封性能较优的结构参数推荐参考值,为此类复合密封结构的设计提供了参考依据和借鉴。
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