航空管路接头密封特性及流体温度影响

对多尺度有限元模拟开展管路接头密封特性研究。基于管接头各部件粗糙表面的实测数据,建立具有粗糙表面的管路接头密封区域多尺度模型,通过接头拧紧过程的模拟计算获得了接头密封状态和密封性能。研究结果表明:多尺寸模型可以真实反映出管路接头拧紧过程中的密封状态和特性变化规律,从而提高管路接头装配方法计算精度;另外,在接头拧紧过程中,管路与卡套结合处高应力区是通过两个高应力区域向四周扩散的,管路接头密封性能变化呈现线性变化,并且管路接头最佳装配状态需要达到特定装配位置,合理可靠的装配对管路接头使用尤为重要;同时,流体温度在允许范围内,对管路接头的密封特性有一定影响。      

考虑离心力与热应力非连续界面的微动磨损

航空发动机、重型燃气轮机等旋转机械的组合转子轮盘间多采用非连续界面连接,通过建立两轮盘的环形平面接触有限元模型,并进行冷态预紧、升速工况下的结构分析及稳态温度场下的热-结构耦合分析。研究了环形接触界面的接触应力、切应力、磨损深度等微动参量的演变规律。结果表明:预紧力单独作用下接触应力从内径到外径逐渐减小,内径处接触应力和切应力最大,磨损最严重;随转速升高,离心力增大,接触界面的最大接触应力增大,最小接触应力减小,造成接触应力分布不均匀程度及磨损加剧;稳态温度场导致盘间接触应力均值大幅度上升,严重加剧轮盘间磨损;从盘间接触应力分布均匀性与界面微动磨损情况来说,热载荷是造成组合转子非连续界面微动磨损的主要因素。     

不同壁厚的TiNiFe形状记忆合金管接头紧固力的模拟计算

研究不同壁厚的TiNiFe形状记忆合金管接头紧固力随时间变化的定量关系对航空用TiNiFe形状记忆合金管接头有重要的实际工程应用价值。在有关TiNiFe形状记忆合金的力学建模和公式推导的基础上,利用计算机进行软件编程,完成了对TiNiFe形状记忆合金管接头升温过程产生紧固力的计算模拟,得到了TiNiFe形状记忆合金管接头在约束升温状态下紧固力随时间变化的模拟曲线,重点研究了管接头壁的厚度对管接头产生紧固力的影响,并通过具体的实验进行验证。发现管接头的升温逆转变过程很短,壁厚小于2.5mm范围内的管接头的紧固力随着壁厚的增加而增加,几乎成线性关系。     

周向弹簧力分布对圆周密封装置密封性能的影响

为了研究周向弹簧力分布形式对密封装置密封性能的影响,针对周向弹簧建立力学模型,分析周向弹簧力不均匀分布形式产生的原因,并对其不均匀分布的临界范围进行预测分析,建立泄漏预测模型对密封结构的密封性能进行研究。首先对密封装置主要结构进行受力分析,研究周向弹簧不均匀加载对密封结构变形的影响,再结合ANSYS软件对圆周密封装置主要部件进行结构-热耦合仿真计算,进而通过仿真分析验证理论分析的合理性。仿真结果表明：不均匀周向弹簧力产生的附加力矩使得密封环翘曲变形,主密封面径向接触间隙最大位置出现在密封环的接头区域;相比弹簧力分布均匀条件,当弹簧力分布形式的不均匀程度处于临界范围内时,接触间隙增加了24.52%,气体泄漏量增加了7.99%;当弹簧力分布形式的不均匀程度处于临界范围外时,接触间隙值呈倍数增加,气体泄漏量增加一个数量级。综上,周向弹簧力不均匀分布导致主密封面接触间隙值增加、密封结构气体泄漏量增加、密封装置密封性能下降。周向弹簧力的不均匀分布对密封装置的密封性能有较为严重的影响,在实际工程应用中应尽可能保证周向弹簧的不均匀分布程度处于临界范围内,避免由于弹簧卡滞使得密封结构密封性能下降。     

有大预紧效应的多叶径向箔片轴承的分析

针对有大预紧效应多叶径向箔片轴承的结构特点,通过引入辅助分析部件建立箔片轴承的非线性接触有限元仿真模型。在分析过程中通过改变作为刚性体的辅助部件和作为柔性体轴承部件之间的几何位置来模拟大预紧多叶箔片径向轴承的装配过程并最终求得箔片轴承中接触应力应变。将处理轴承间隙压力分布的控制方程-雷诺方程和非线性的接触求解过程耦合起来迭代求解,第一次对有大预紧效应的多叶箔片径向轴承进行了完全气弹耦合数值分析。      

内套筒对预紧力齿连接接头预紧力的影响

为了研究内套筒材料性能与几何尺寸等参数对预紧力影响规律，本文首先通过实验对不同内套筒材料与壁厚对预紧力的影响规律进行研究。然后通过有限元软件ANSYS建立了接头预紧力施加的数值模型，模拟结果与实验实测值吻合较好，并通过有限元对实验现象进行了分析。结果表明：相同挤压量下，接头壁厚越高，所产生预紧力越高；对于塑性材料的内套筒接头，当外部挤压量超过一定值时，塑性材料完全进入塑性，变形增加，但应力值不再显著增长，预紧力趋于稳定；而对于弹性材料的内套筒接头，弹性材料应力一直随着应变线性增长，因此预紧力随着挤压量增加不断增加。     

宽温域下柔性接头界面损伤及密封可靠性数值研究

界面失效是固体火箭发动机柔性接头的重要问题。为研究宽温域(-55℃～65℃)下柔性接头摆动过程中界面的损伤规律,基于ABAQUS 6.14建立了柔性接头的三维非线性有限元分析模型,并采用内聚力模型作为粘接界面的本构模型,获得了界面的损伤参数。此外,结合界面间的接触应力,提出了一种计算柔性接头密封可靠度的方法。结果表明,宽温域下粘接界面与丁异戊橡胶的力学性能随温度的升高而逐渐下降,说明柔性接头在高温段更容易发生失效;并且确认了柔性接头密封可靠度与界面损伤间成反比关系,宽温域下随着温度升高,柔性接头损伤程度先缓慢增大,-40℃后出现迅速增加,而柔性接头密封可靠度先呈线性下降趋势,20℃后下降趋势放缓,-55℃时柔性接头密封可靠度最大。     

周向均布拉杆转子预紧力的确定

对周向均布拉杆转子进行考虑接触的三维有限元应力分析,揭示了不同拉杆预紧力和运行工况下拉杆转子的应力分布及界面接触状态演化规律.计算结果表明:拉杆转子在传递功率和横向载荷时,接触界面会发生局部分离和滑移,导致其承载能力小于整体转子;随着预紧力的增加,拉杆转子能够传递更大的载荷,但最大应力显著增加,降低了材料的强度裕度.根据得到的拉杆转子应力水平、接触界面应力分布及接触界面切向力与法向力的比值,给出了保证转子结构完整性和结构强度要求的拉杆预紧力确定方法,为此类转子预紧力的确定提供了参考.      

宽温域下柔性接头界面损伤及密封可靠性数值研究（英文）

界面失效是固体火箭发动机柔性接头的重要问题。为研究宽温域(-55℃～65℃)下柔性接头摆动过程中界面的损伤规律,基于ABAQUS 6.14建立了柔性接头的三维非线性有限元分析模型,并采用内聚力模型作为粘接界面的本构模型,获得了界面的损伤参数。此外,结合界面间的接触应力,提出了一种计算柔性接头密封可靠度的方法。结果表明,宽温域下粘接界面与丁异戊橡胶的力学性能随温度的升高而逐渐下降,说明柔性接头在高温段更容易发生失效;并且确认了柔性接头密封可靠度与界面损伤间成反比关系,宽温域下随着温度升高,柔性接头损伤程度先缓慢增大,-40℃后出现迅速增加,而柔性接头密封可靠度先呈线性下降趋势,20℃后下降趋势放缓,-55℃时柔性接头密封可靠度最大。     

拉伸载荷下管路连接副的密封性分析

研究了航空发动机钛合金管路连接副在拉伸载荷下的密封性能.首先,建立了连接副的等效刚性模型, 分析其在拉伸载荷下的受力,研究了密封面的接触力随拉伸载荷的变化规律,从机理上分析了拉伸载荷下管路连接副的密封性.第二,建立了管路连接副在拉伸载荷下的多体弹性接触模型,并对其进行有限元分析.采用初始渗透接触法,实现连接副的预紧状态,在此基础上施加拉伸载荷,然后再进行有限元求解.同时,研究了连接副密封面的接触力、接触面积和接触应力随拉力的变化规律,从而定量地分析连接副的密封性.      

金属封严环泄漏率预测方法

针对金属封严环设计中泄漏率估算问题，综合对密封系统宏观结构和微观表面接触变形的考量，提出一种基于数值计算的泄漏率预测方法。对密封整体结构进行计算，以计算值（接触应力、接触面积）为输入参数，以表面粗糙度为评价指标建立微观粗糙表面，使用有限元法（FEM）进行接触计算后建立泄漏通道模型，在对泄漏缝隙内流体流动特性确定后通过计算流体力学（CFD）方法计算得到泄漏率。使用密封试验台进行泄漏率试验，将计算值与试验结果相比较。研究表明:随着接触应力增加、表面粗糙度值降低以及内外腔压差增长，密封系统泄漏率逐渐减小；所提出的方法极大地摆脱了泄漏率获取对于试验仪器的依赖性，并能够较为有效地预测金属密封结构的泄漏率，对先进的金属封严环的设计和评估具有重要意义。      

特殊形状橡胶密封圈的性能分析

采用非线性有限元法对特殊截面形状的橡胶密封圈进行了分析.通过轴对称有限元分析模型, 分析了其在矩形沟槽内装配压缩过程中的变形和应力变化, 以及应力的分布情况, 同时还对承受单侧压力的密封情况进行了研究.对于密封圈的抗扭转特性以及在特殊压力负载情况下的密封特性也进行了模拟并且和普通O形圈进行了对比.结果表明, 所采用的方法能够预测特殊形状的密封圈在压缩中的变形和应力等特征参数, 加深了对其密封性能的了解, 并对同类密封结构设计有一定的指导意义.      

柱面气膜密封界面结构与性能分析

选择并针对柱面气膜密封中六种典型的螺旋槽派生界面结构,基于有限元数值分析方法进行了气膜力学特性及密封特性的定量计算和分析比较;建立了不同界面型式的密封特性与可压缩数、膜厚的关系曲线;研究分析了不同界面结构密封特性变化特点和应用中的优劣势,为密封系统研究和设计选型提供了理论基础及指导.分析中的每种密封界面结构参数均为依据有关文献选取的优化或近似优化数据,采用的计算分析方法可拓展应用到其他结构中.      

液体火箭发动机低温阀门铝垫片密封性能数值分析

为研究某液体火箭发动机低温阀门铝垫片密封结构在低温工作环境下的密封性能，利用Abaqus软件建立了该结构的二维轴对称模型，计算了低温工作状态下铝垫片密封表面接触压力的变化，并研究了铝垫片在循环温度载荷作用下接触压力下降的机理。结果表明，在低温工作时密封垫片与阀门各部件材料线胀系数不同导致了在温度降低时密封面上的接触力的下降；而铝垫片密封表面上复杂的应力应变状态导致接触压力在温度载荷作用下无法恢复。在温度载荷循环作用下，铝垫片密封面上产生了棘轮效应。垫片的塑性应变在棘轮效应中累积且最大应力值在棘轮效应中下降；接触力会随着温度载荷循环次数增加逐步降低并在一定周期后保持稳定。提出了采用锥形垫片的结构改进方案，并通过仿真验证了该结构在循环温度载荷作用下保持密封压力的有效性。     

基于流固热耦合的非金属迷宫密封泄漏特性与公式构造

建立了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏特性流固热耦合数值求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了聚醚醚酮（PEEK）、填充30%碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK-CA30）和铝合金三种材料迷宫密封在不同压比、温度下的流场特性、结构力学特性与泄漏特性,并基于Vermes公式构造了考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量理论公式。研究结果表明:建立的迷宫密封流固热耦合模型可以准确计算非金属密封齿的变形量和变形后的泄漏量。在研究的三种材料中,采用PEEK-CA30材料密封齿的变形量相对较小,占密封齿径向长度的0.35%~0.67%,其密封性能较好,相比于未考虑齿变形密封的泄漏量增加1.2%~6.8%。当温度高于500 K,压比大于3时,采用铝合金材料密封齿的最大等效应力达到材料的屈服极限而引起密封件失效。所构造的泄漏量理论公式能够准确预测考虑齿变形的非金属迷宫密封泄漏量,为非金属迷宫密封泄漏特性分析提供理论依据。      

石墨圆周密封热 结构耦合分析

综合考虑作用于石墨圆周密封环机械载荷和温度载荷,利用软件ANSYS完成石墨圆周密封结构分析、稳态热分析和热 结构耦合分析。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布均匀,最大等效应力出现在接头搭接处,这是由于接头搭接处结构特点,使密封环在此处所受气体不平衡力较大引起的。辅助密封面受载荷力矩作用引起应力分布不均,导致不平行密封缝隙出现,影响密封性能。密封环温度场分布均匀,主密封面的温度高于辅助密封面,接头搭接处接触面积大,温度显著升高。热效应对石墨圆周密封性能影响不容忽视,考虑热效应作用时,密封环应力值产生了一个数量级的升高,并使最大应力区域自主密封面接头边缘处向中心附近移动。      

电缆密封结构的有限元分析

针对新型电缆密封结构的密封挡板、密封结构板、橡胶密封板及其连接螺栓建立了有限元模型,考虑了几何、边界及材料非线性因素,计算了模型在螺栓预紧力和气压作用下电缆密封结构的应力和变形,校核该结构的强度是否满足设计要求。结果表明,密封结构的局部出现屈服,需更换更高强度的材料;密封结构密封性能良好,密封性能试验验证了计算结果的合理性。