高压补燃发动机э形弹性金属密封机理研究

э形弹性金属密封是一种适用于大通径、低温、高压密封环境的金属密封结构,已成功应用于高压补燃液氧/煤油发动机液氧管路密封。针对100吨级高压补燃发动机中的э形弹性金属密封,建立了其非线性有限元弹塑性分析模型,基于ABAQUS 6.10进行了仿真计算,得到了4个密封面的接触面积和接触应力随预紧载荷的变化规律,确定了各密封面形成的先后顺序。对于密封机理的研究结果表明,э形环刚度过大是造成э形密封装配困难的根本原因。     

高压补燃液氧/煤油发动机弹性金属密封技术探讨

讨论了弹性金属密封的弹塑性密封机理,回顾了国内外低温液体火箭发动机弹性金属密封技术的发展历程。结合高压补燃液氧/煤油发动机的工作特点,分析了发动机管路静密封所采用的Э形弹性金属密封、K形弹性金属密封、碟形弹性金属密封以及软金属密封的密封特性,从密封结构设计、密封材料选择、预紧载荷控制以及加工制造工艺四个方面总结并提出了影响高压补燃液氧/煤油发动机弹性金属密封性能的技术要点。针对当前国内高压补燃液氧/煤油发动机弹性金属密封的理论研究及工程应用现状,建议加强弹性金属密封技术的基础理论研究,完善弹性金属密封的结构设计方法并进行相应的预紧力偏差设计研究。     

自紧式K形金属密封组件密封特性研究

K形金属密封是液氧/煤油发动机液氧管路系统中经常使用的金属密封结构,其密封性能关系着发动机能否可靠工作.针对自紧式K形金属密封组件,采用非线性有限元方法,基于局部理想粗糙度等效简化,研究了密封机理.仿真结果再现了密封接触面的形成模式,论证了“压力自紧式”密封特征和可重复使用特性,并以密封接触面积和平均接触应力为指标,获得了密封性能与拧紧力矩的敏感性关系.     

软金属密封结构密封性能数值仿真研究

针对液氧煤油发动机管路中广泛应用的软金属密封结构,采用单边接触模型和材料弹塑性模型相结合的方法,通过有限元软件Nastran隐式非线性模块对其进行数值仿真。得到并分析了结构应力、位移及接触应力等相关参数。结果表明,软金属密封结构在45 MPa内压下,结构强度满足使用要求,密封面接触应力大于300 MPa,密封安全系数大于1.67。     

基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

柔性接头弹性件超弹性本构参数拟合和低压摆动非线性有限元分析

依据非线性力学理论,通过单轴拉伸试验获得了柔性接头弹性件超弹性Mooney-Rivlin模型常数,作为有限元计算的输入,同时对柔性接头冷摆时的载荷进行了分析处理,有限元模拟了柔性接头的冷态摆动,重点分析了柔性接头弹性件和粘接面的柯西剪应力和轴向应力。结果表明,0.15 MPa容压下摆动,粘接面的轴向柯西应力大于剪应力,是柔性接头粘接面破坏的主要原因,计算与实际情况吻合性较好。     

先进发动机低泄漏、长寿命密封

汽轮机中气路间隙的密封使用金属纤维为基体的密封装置。压气机纤维金属摩擦环,是由杂乱排列的 Hastelloy X 合金纤细纤维烧结在一起的。纤维状金属密封件具有可研磨性、耐腐蚀性、泄漏控制和耐高温性。这种密封件用独特的成型、钎焊制造工艺加工成垫圈,再用机械加工的方法加工成型。陶瓷密封件由钎焊在一个基体上的沿金属纤维低膨胀率的物体制成,在它上面涂了一层具有磨损裕度的氧化锆热阻层。这个元件含有减小残余应力的陶瓷涂层,涂层具有良好的绝缘性能和工程性能。深层的工艺过程必须仔细加以控制。刷式密封为防止气体沿传动轴的轴向泄漏提供了一种有效的密封方法。陶瓷刷式密封件和密封试验装置正在研究中。     

一种舱段快速连接结构设计及承载能力分析

设计了一种新型的舱段间连接装置，分析了其在轴向力载荷作用下的受力情况，并以相对滑动作为失效判据给出了预紧力的计算方法，在此基础上分析了卡箍倾角、摩擦系数以及预紧力等对该结构承载能力的影响。研究结果表明：直径为1 200 mm的连接结构能够满足1 000 kN 轴拉载荷下的使用要求。卡箍与壳体配合面倾角、摩擦系数以及预紧力等均会对该连接结构的承载能力产生影响，其中预紧力的影响主要表现为预紧力增大，卡箍与上下壳体对接面的压力增大，产生的摩擦力增大，因此其轴向承载能力增大。此外，随着配合面倾角增大以及摩擦系数的减小，则会导致该连接装置承载能力产生显著下降。     

铝垫片的力学性能及对典型连接结构应力分布的影响

铝垫片-榫槽结构是液体火箭发动机常用的管路连接形式,其长期贮存密封性能对发动机的可靠性起着重要作用。该结构的密封性能取决于密封区的应力分布,从铝垫片这一连接结构中的主要密封元件着手,研究其力学特性及其对密封区应力分布的影响。首先,开展L4铝垫片材料的力学性能试验,建立了L4铝材料的本构关系;其次,开展常温及200℃下L4铝材料的蠕变试验,建立铝垫片的时间硬化型蠕变模型;最后,使用Abaqus有限元软件分析5~25 N·m预紧力矩下垫片的应力分布规律,以及垫片密封面接触压力随时间变化关系。计算结果表明,垫片的应力分布与装配预紧力矩紧密相关;材料的蠕变特性会导致垫片密封面接触压力随时间松弛,是造成结构泄漏的一个重要隐患。     

橡胶"O"形密封圈结构参数和失效准则研究

利用大变形、接触的非线性有限元理论建立了某固体火箭发动机密封结构的二维轴对称模型,用有限元软件计算出该结构在工作状态下的变形和应力。通过计算可知,在橡胶“O”形密封圈与上下法兰接触的位置产生最大的接触压应力,在密封槽槽口转角位置产生最大的剪切应力。对密封性能的各结构参数进行了分析,讨论了上下法兰张开间隙、初始压缩率、密封槽槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料等典型参数的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率对最大接触压应力的影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角半径对剪切应力影响明显。三维壳体结构的有限元分析结果表明,上下法兰在内压作用下产生不均匀的张开间隙,体现了三维结构的特点。不均匀的张开间隙与二维轴对称结果对比可知,以最小间隙作为设计间隙,二维轴对称分析模型可取代三维模型来分析该结构的密封性能。最后,确定了“O”形圈密封结构的最大接触应力和剪切应力失效准则。     

液氧泵机械密封用金属波纹管设计研究

分析研究了液氧泵机械密封用金属波纹管在常温条件下轴向拉伸变形与金属波纹管自由高度和密封摩擦功耗之间的关系,在此基础上,研究归纳出了液氧泵机械密封用金属波纹管设计规范,采用该规范设计生产的金属波纹管已用于液氧/煤油发动机,该发动机已通过地面热试车考核.     

装配误差对球面密封结构密封状态影响分析

球面密封结构通过安装形成的接触面来实现密封，不同的安装条件将产生不同的密封状态。该文采用有限元分析软件ANSYS对球头一锥面连接结构在不同的安装对中精度的条件下产生的密封状态进行接触分析，研究密封面上的接触位置和接触面积随对中角度的变化规律，分析安装精度对密封性能的影响。     

卫星推进系统管路装配技术研究

球头联接件作为卫星推进系统管路装配中的重要零件之一,关系到整个卫星在轨运行能否高可靠及长寿命。针对卫星推进系统管路球头结构联接形式的具体特点,文章通过球头螺纹力学分析,计算了球头结构的最大及最小拧紧力矩值。并采用接触非线性有限元方法对球头结构进行了建模分析,分别得出了在最大及最小载荷工况下球头螺栓的等效应力分布和接触应力的大小,得出了不同力矩和密封宽度、接触面积以及平均接触应力的对应关系,确定球头安装的理论合理力矩值范围。     

考虑零件蠕变-松弛时凸缘联接系统的密封模糊可靠性

凸缘联接系统作为一种方便的可拆卸连接,这种连接结构不仅要求各连接元件在预紧和操作情况下不发生强度破坏,同时还要求满足一定的密封性能.应用蠕变-松弛理论和模糊可靠性理论,将垫片、螺栓和凸缘环作为一个整体,考虑凸缘联接系统各零件之间变形协调、力的平衡和各零件蠕变-松弛作用,提出了在预紧和操作情况下,计算凸缘联接系统载荷与变形随时间变化的新方法.在此基础上,对其密封模糊可靠性随时间的变化进行了研究.算例结果表明,提出的新方法是可行的.     

球头-锥面连接结构非线性接触分析

文章采用大型有限元分析软件ANSYS,对球头一锥面连接结构在“安装”状态的密封情况进行接触分析,研究了密封面上的接触应力和密封面积随拧紧力矩的变化规律,得出了接触面上的应力、应变的峰值和分布情况,提出了安全拧紧力矩的存在范围,为此类结构的设计和装配提供了一种新的分析方法。     

高压金属软管应力及参数敏感度分析

某型号发动机热试车考核中高压金属软管多次出现破坏。通过建立软管有限元模型,采用非线性有限元分析了软管应力分布和各部分承载特点,判断波峰处轴向应力是影响软管结构强度的主要因素,有限元计算结果和试验破坏部位一致,表明有限元模型的合理性。在此基础上,通过参数化建模、设计中心复合实验和进行参数敏感度分析,得出影响波峰处最大轴向应力的敏感参数,为结构参数优化提供了依据。     

球面型管路连接件密封性能分析及力学性能测试

针对火箭发动机推进系统管路中广泛使用的球面密封结构,选取四节点四边形板单元PLANE182作为基准单元对管路连接件进行有限元计算,得出管路连接件的应力场、应变场以及位移场的函数表达式,分析了其密封机理,讨论了弹塑性变形对金属密封的重要作用.在此基础上,采用非线性有限元法对接触单元进行了弹塑性分析和接触分析,并对管路连接件进行了耦合接触分析,在ANSYS平台上对耦合接触体进行了力学性能测试,详细分析了管路连接件的位移、应变和应力分布状况.     

基于金属密封垫圈非线性变形仿真的预紧设计

为确保密封结构能有效阻止箱体内部介质的泄漏,要求密封面具备一定的密封比压,即通过施加合理的拧紧力矩来控制密封件的压缩量。目前主要采用试验方法验证一系列拧紧力矩下的密封效果,从而获取临界力矩值并确定可靠的拧紧力矩设计值。文章基于试验经验做出了合理的假设以建立简化的非线性有限元分析模型,对金属垫圈在压紧力下的塑性变形进行仿真,通过金属垫圈发生临界变形量的压紧力反推出拧紧力矩的临界值。该方法获取的临界力矩值与试验方法相近,可以有效地提高设计效率,降低试验成本。     

航天器火工分离螺母的火工冲击环境数值仿真研究

为了研究航天器分离时火工分离螺母产生的火工冲击环境特性,了解火工冲击载荷的机制和特点,直观观测应力波在结构材料中的传播过程,使用LS-DYNA非线性有限元程序模拟了火工分离螺母的动态分离过程,给出了典型响应及输出载荷,并通过火工分离螺母-结构一体化仿真得到了星箭界面载荷,为航天器火工冲击环境防护设计提供更加真实的输入条件。     

空间伸展臂热应变与热变形光纤监测技术

针对空间伸展臂在热载荷作用下承载特性与形态变化的监测需求,提出了一种基于分布式光纤传感器的伸展臂结构温度、热应变以及热变形集成监测技术。借助ANSYS Workbench有限元分析软件,构建了单端热载荷作用下铝合金空间伸展臂结构热-力模型,分别得到不同局部热载荷下伸展臂轴向温度、热应变以及热变形分布与变化规律。在此基础上,提出了基于有限元分析与热传导理论的两类伸展臂轴向热变形计算方法。构建了分布式光纤传感监测系统,实时监测伸展臂若干关键位置的温度值与应变值,进而反演出结构轴向温度场、应变场连续变化信息。研究表明:采用有限元拟合法与热传导解析法计算所得伸展臂轴向热变形误差分别为5.256%与3.556%。相关成果能够为未来航天器在轨服役状态监测与辨识提供技术支撑。