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常温低温组合密封结构的有限元分析与优化设计

作　者: 陈国栋
导　师: 侯珍秀
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 组合密封 密封性能 有限元分析 结构优化
分类号: TH136
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


液态火箭发动机对密封的可靠性要求很高,其密封性能的好坏将直接影响整个系统的性能。本文研究的组合密封结构是某型号液态火箭发动机上的动密封装置,其由一个聚四氟乙烯滑环和一个橡胶O形圈组成,要求在常温20℃到低温-40℃的范围内均能保持良好的静、动密封。对此组合密封结构在不同工作环境下的各种工作状态进行有限元模拟研究,可以全面分析此密封结构的密封性能,发现薄弱环节,提高密封可靠性,具有重要的意义。本文首先分析了聚四氟乙烯和橡胶的材料特性,由于橡胶的力学行为不能像金属材料一样简单地用弹性模量来描述,本文通过实验获得了丁腈橡胶在常温(20℃)和低温(-40℃)下的应力应变数据,并利用ANSYS软件拟合得到了此橡胶在常温和低温下的本构方程。建立了组合密封结构的有限元模型,分别对常温和低温两种环境下,组合密封结构的静止工作状态、往复工作状态进行数值模拟研究,获得了应力场、位移场分布及变形情况,全面分析了组合密封结构在不同环境、不同工况下的静、动密封性能。利用流体动力学理论,结合有限元模拟结果,计算出动态油膜厚度,与经验值吻合的很好;由作图法计算出接触区域各点处的油膜厚度,并绘制了油膜分布曲线;从理论上分析了泄漏量的影响因素,为提高密封的可靠性提供了指导。对影响本文密封结构密封性能的工况参数和结构参数进行了有限元数值模拟研究,找出了工作压力、预压缩量、唇前角、唇后角、滑环厚度、唇口偏移量等参数对密封性能的影响规律,并在此基础上对此密封结构进行了优化,得到了最优解。最后分析了组合密封结构的主要失效形式以及影响因素,重点研究了摩擦系数、加工精度、工作温度等对此密封结构失效的影响规律,为此类组合密封结构的设计提供了参考依据。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 本文组合密封件的工作原理  12-14
    1.3.1 组合密封件的结构形式  12-13
    1.3.2 静密封原理  13-14
    1.3.3 往复动密封原理  14
  1.4 本文的主要研究内容  14-16
第2章 密封材料及实验参数测试  16-25
  2.1 聚四氟乙烯材料与性能  16-17
    2.1.1 聚四氟乙烯的结构和特性  16-17
    2.1.2 聚四氟乙烯的改性  17
  2.2 橡胶材料与性能  17-19
    2.2.1 橡胶材料的特点  17-18
    2.2.2 橡胶超弹性理论  18-19
  2.3 实验参数测试及数据处理  19-24
    2.3.1 单轴拉伸  19-20
    2.3.2 单轴压缩  20
    2.3.3 平面剪切  20-21
    2.3.4 实验数据处理  21-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章 组合密封结构的有限元数值模拟  25-44
  3.1 静止工作状态数值模拟  25-35
    3.1.1 有限元模型的建立  25-26
    3.1.2 常温下数值模拟  26-31
    3.1.3 实验验证  31-33
    3.1.4 低温下数值模拟  33-35
  3.2 往复工作状态数值模拟  35-43
    3.2.1 常温下数值模拟  35-37
    3.2.2 低温下数值模拟  37-39
    3.2.3 油膜分布的研究  39-41
    3.2.4 泄漏量的研究  41-43
  3.3 本章小结  43-44
第4章 组合密封结构的优化  44-59
  4.1 参数对密封性能影响规律的数值模拟研究  44-53
    4.1.1 工作压力的影响  44-45
    4.1.2 预压缩量的影响  45-47
    4.1.3 结构参数的影响  47-53
  4.2 密封结构优化  53-58
    4.2.1 优化设计基本概念  53-54
    4.2.2 组合密封结构的优化  54-56
    4.2.3 优化前后的对比  56-58
  4.3 本章小结  58-59
第5章 组合密封结构的主要失效形式及影响因素  59-66
  5.1 主要失效形式  59-60
    5.1.1 滑环失效  59-60
    5.1.2 Ｏ形圈失效  60
  5.2 失效的影响因素  60-64
    5.2.1 摩擦的影响  60-63
    5.2.2 加工精度的影响  63
    5.2.3 温度的影响  63-64
  5.3 串联密封结构  64-65
  5.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械零件及传动装置 > 其他机械元件
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