弹性金属密封圈接触应力实验测量及有限元分析
基于Marc的车门密封条接触有限元分析
新模型
旧模型
图 4 新、旧密封条几何模型对比
4
结论
通过新旧两方案对比分析可知，新方案比旧方
案的压缩负荷减小了 80.3%，表明通过改变壁厚及 形状可明显改善车门关闭力。
参考文献
[1] 陈火红.Marc 有限元实例分析教程[M],2002.4.
16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
旧方案 新方案
Force/N
13 14 15 16 17 18 19 20 21
Displacment/mm
图 3 密封条结构改进前后的压缩负荷比较 从图 2 可看出，密封条被压缩 7mm（对应图 3 中的 13mm）时，33.57%～37.3%的较大应变发生 在如图所示的区域，而下泡管的应变较小。区域 1 应变较大是因为压缩过程中受到凸起部位的压缩 力对该部位的弯矩造成的，上泡管的区域 2 和 3 应 变较大也是由于受到较大弯矩造成的，表明上泡管 及凸起部位主要承受压缩负荷。 图 3 中， 横坐标为相对图 2 坐标系下车门 X 方 向的位置，即初始位置与压缩量的差值，纵坐标为 密封条对车门的反作用力即压缩负荷。 由图 3 可知， 压缩负荷与压缩量的关系为非线性关系，旧方案密 封条垂直压缩 7mm 时的最大压缩负荷为 14.49N。 该压缩负荷即密封条压缩变形产生的阻力，它是引 起车门关闭力超重的主要因素之一，因此对其进行 结构改进以减小车门关闭力。
Abstract: In order to solve the problem with close force over-loaded of weather strips of a passenger car door, the nonlinear finite element software, MSC.Marc, is applied to carry out calculation and analysis. It is shown by results that wall thickness and shape of the lower foam house and the size of its raise areas are the main causes of weather strips over-loaded. The close force of improved weather strips decrease by 80.3% than original one by analysis. Key words: Weather Strip, Contact, FEA MSC.Mentat 进行前处理，再利用 MSC.Marc 求解
复合材料密封圈非线性大变形的有限元分析
ment
轴承密封圈的密封性能在轴承的使用过程中起着 重要的作用 。密封圈能否正常工作 , 安装固定是一个 不可忽视的问题 。通常情况下 , 由于复合材料密封圈 的材料的多样性和装配关系的复杂性使得建模求解复 杂 。文献 [ 1 ] 通过实验等方法对橡胶材料的基本参 数和性能进行了计算验证 ; 文献 [ 2 ] 就形状简单的 O 形圈进行了接触分析 。但是 , 对于使用复合材料 的 、结构比较复杂的密封圈的安装变形还没有见到系 统分析研究的报道 。 本文作者运用有限元方法 , 充分考虑超弹性橡胶 材料受载后轴对称大变形的特点 , 采用带有钢骨架的
T
Ω+ Ω′
ε} ∫{δ
T
Ω = { S} d
Γc
T
Ω+ Ω′
T
σ
+σ
s
n
n
n
1
T
T
T
s
s
Γc
n
n
n
n
2
Γ {δ u s } μ | pn | { v} + {δ u′ })d s } μ | p′ n | { v′
T
T
( 4)
式中 : { f} 为体积力 ; { p} 为表面力 ; { pn } 、 { p′ n} 为接触面法向力 ; { ps } 、 { p′ } 为接触面切向力 ; s ε} 为虚位移和虚应 { v} 为切向单位向量 ; {δ u} 、 {δ Γ 变 ; Ω、Ω′ 表示相互接触的两个物体体积 ; Γ σ、 σ′ 表示两个物体已知面力的边界 ; Γc 表示没有相对滑
某弹性支座的接触应力有限元分析
Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ｏ Ｌ ０ Ｇ Ｙ Ａ Ｎ Ｄ Ｍ＿ Ａ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ
Ｖｏ １ ． ２ ０， Ｎｏ ． １ ０， ２ ０１ ３
构 的破 坏 。在 此 条 件 下 ， 干 燥 介 质 替 换 湿 凝 胶 中 的 溶 剂 并 将 流
耗能 的建筑 ， 节 能技术相对落后 。因此 ， 要 提高能源利用效 率 ， 减少能 源｝ 肖 耗， 减少对大气环境 的污染 ， 减少 Ｃ Ｏ 排放 以及地
气凝胶因其独特的性质在 国防 、 航天等尖端诸领 域有 着不 可替代的地位 。 目前 ， 由于制作 工 艺 的简化 和生 产成 本 的降 低， 气凝胶 已不再是可望不可及 的“ 贵族 ” ， 开始进入普通行业 。 本 文主要讨论气凝胶作为一种保温防火材料 ， 探 讨其在建 筑科
学 方 面 的应 用 。
具 有 较 好 的 应 用前 景 。 但潜 在 的 问题 是 溶 剂 消 耗 量 较 大 ， 干 燥
时间较长 ， 同时还产生不必要 的副产物等。 超临界干燥是 目前 制备气凝胶最成熟 的工艺 ， 得 到的气凝 胶其性能也最为优异 。本 文采用醇 溶剂 为介质进 行超 临界干 燥制备 Ｓ ｉ Ｏ 气凝胶 ， 其常压 干燥 工艺操 作较 为简 单 、 安全 ， 对 设备要求不高 ， 成本较低 ， 是今后气 凝胶 材料 工业化 发展 的方
度 （一 ４ ０ ℃） 和适中的压力下进行 ， 危 险性相对 降低 ， 但 得 到 的 Ｓ ｉ Ｏ２ 气 凝 胶 为亲 水材料具有一定 的局 限性 ， 虽 然 有 机保 温材料 的隔热效果 好 ， 但是 助燃特 性较差 ， 在 火灾发 生 的时候能够 起到推波 助澜 的作用 ； 而当前 的无机保温材 料在施
可达 ９ ９ ． ８ ％ 以 上 。常 用 的 干 燥 介 质 有 醇 溶 剂 （ 如甲醇、 乙醇
航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析
航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析近年来，航天器开发技术取得了长足的进步，密封系统也成为航天器中功能性和结构性部件的关键组成部分之一。
O形密封圈是常用的一种机械密封方式，它的特点是在满足弹性要求的情况下，可以起到良好的密封效果。
本文主要介绍O形密封圈的有限元分析方法，并结合有限元分析的结果，对不同的密封圈进行对比分析，为进一步提高航天任务的可靠性提供参考。
O形密封圈是一种由金属圈和橡胶垫片组成的机械密封结构。
金属圈是一种圆形金属垫片，用于支撑橡胶垫片，而橡胶垫片则可以形成良好的密封效果。
这种密封结构由金属圈和橡胶垫片两部分组成，而其组合方式又分为全金属组合和非金属桥接组合。
就其支撑面来讲，O形密封圈可分为：圆形支撑面、平面支撑面、管状支撑面、矩形支撑面以及其他形状支撑面。
同时，根据其金属圈的材料和结构参数，O形密封圈也分为大弹性、中弹性、小弹性和耐高温类型。
为了评价航天器中O形密封圈的可靠性，必须采用有限元分析的方法来模拟。
有限元分析可以准确地模拟该结构的受力和变形特性，可以准确地得出橡胶垫片的模量和弹性系数，从而准确地模拟出其完整的机械性能。
通过有限元分析，可以得出不同密封圈的完整的机械性能和可靠性数据，并可以进行对比分析。
在不同的操作条件下，比较不同密封圈的力学性能及可靠性，以评估其能否满足航天器要求。
经过有限元分析，可以得出不同密封圈的力学性能，并可以进行分析对比。
比如，有一种O形密封圈具有大弹性，可以很好地抵抗外部力的冲击，同时具有很好的密封效果；而另一种O形密封圈则具有小弹性，能够更好地抵抗各种振动，但它的密封性能会稍逊一筹。
总之，本文介绍了O形密封圈的有限元分析方法，并结合有限元分析的结果，对不同的密封圈进行对比分析，为进一步提高航天任务的可靠性提供参考。
综上所述，通过科学有效的密封结构设计，可以提高航天器中O形密封圈的可靠性。
金属“c”形密封环密封性能有限元分析
ｅｎｃｅ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ ｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ ｒｉｎｇ ｏｎ ｓｅａｌ
少部分凸起有接触，随着螺栓预紧力的增加，密封环
性能等系统的分析方法还不 是 很 完 善，相 关 的 研 究
产生弹性及塑性变形，环的凸起圆弧部分接触面积增
也比较少。
大并产生初始密封比压达到初始密封。 当内压升高
累了一定的经验和数据。 金属“ Ｃ” 形密封环做为较
本文研究了“ Ｃ” 形密封环主要尺寸及回弹量的理
其密封性能。
关键词：金属“ Ｃ” 形密封环；接触应力；密封性能；有限元
中图分类号：ＴＨ１３６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４ － ９６１４（２０１９）０６ － ００４３ － ０５
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ “ Ｃ” ⁃Ｒｉｎｇ
２０１９ 年
第６期
Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅ 形密封环密封性能有限元分析
宁志星，陈 平，汪朝阳
（ 北京化工大学机电工程学院，北京 １０００２９）
摘要：文中研究相关理论计算公式，采用 Ａｂａｑｕｓ 有限元软件建立金属“ Ｃ” 形密封环有限元模型，对
有限元法处理金属塑性成型过程的接触问题
第7卷第4期2000年12月塑性工程学报JOU RNAL O F PLA ST I C IT Y EN G I N EER I N GV o l 17 N o 14D ec 1 2000有限元法处理金属塑性成型过程的接触问题(北京科技大学 100083) 苏 岚 王先进 唐 荻 孙吉先 田荣彬摘 要:用有限元法模拟金属塑性成型过程的难点之一是接触边界条件的处理,本文着重介绍了处理金属塑性成型过程中接触问题的一般方法,包括接触边界的搜索、接触力的计算及接触热传导的计算三方面内容。
运用AN SYS 提供的接触单元,模拟了Y 型三辊轧制过程及钢轨矫直过程的接触状态,结果与实际相符。
关键词:接触边界条件;有限元法;金属成型中图分类号:T G 302收稿日期:2000202228;修订日期:20002062271 引 言近十几年来,随着计算机硬件能力及软件水平的提高,有限元法在金属压力加工行业中得到进一步的应用。
在对金属塑性成型过程进行有限元模拟时,如何处理工具及工件之间的接触将对模拟结果产生重要影响。
接触问题的处理是用有限元法模拟金属塑性成型过程的一个难点。
首先,在金属塑性成型过程中,接触边界状态随变形过程的发展不断变化,事先难以确定。
其次,接触面之间存在着摩擦和相对滑动,而摩擦的机理仍然是尚未解决的难题,目前一般采用简化的理想模型来进行模拟计算,如滑动库仑摩擦模型、粘着摩擦模型。
另外,接触问题大多属于单侧接触,而且是不可逆的,在数学上可用单边约束不定变分描述,但接触和摩擦构成的泛函一般不可微,有时非凸,在数学处理上比较困难。
正是由于这些原因,使得用有限元处理这类问题非常困难。
本文将简要介绍有限元程序中处理接触问题的一般方法,着重研究了运用商业有限元分析软件AN SYS 所提供的接触单元处理Y 型三辊轧制过程和钢轨矫直工艺两个算例中的接触边界。
2 接触边界的离散与搜索由于接触边界状态不断变化,在有限元每步迭代计算时必须采用高效的搜索算法,以确定何处表面在何时发生接触。
密封元件密封面接触应力的测量
密封元件密封面接触应力的测量
刘富;施纪泽
【期刊名称】《实验力学》
【年(卷),期】1993(8)4
【摘要】介绍了西北工业大学研制的密封面接触应力的电测装置。
该装置能在模拟密封元件工作环境(工作介质及介质压力)的情况下,直接准确地测量出密封元件密封面的接触应力。
使用结果表明该装置使用方便、安全可靠、测量精度高(传感器精度优于0.5％F.S)。
比较好地解决了封隔件密封面接触应力测量难题。
【总页数】4页(P375-378)
【关键词】密封元件;接触应力;应力传感器
【作者】刘富;施纪泽
【作者单位】新疆克拉马依油田工艺研究所;西北工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH73
【相关文献】
1.CPR1000核电站首台机组汽机高压缸测量元件密封面泄露问题处理谈核电汽轮机的测点安装 [J], 董崇文;童庆国
2.气门密封面测量及检测装置 [J], 朱正德
3.法兰密封面平面度测量工装的研制 [J], 徐文斌;武晓伟;包广华
4.弹性金属密封圈接触应力实验测量及有限元分析 [J], 张妙恬;索双富;姜旸;孟国
营
5.石墨圆周密封装置密封面接触应力特性研究 [J], 王利恒
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橡胶密封圈三维接触问题的有限元分析
收稿日期:1999204213・结构分析・橡胶密封圈三维接触问题的有限元分析陈 宏 左正兴 廖日东(北京理工大学,北京 100081)摘 要 本文采用三维模型对橡胶密封圈进行了有限元分析,在讨论超弹性体材料接触问题的前提下,研究了密封结构同轴度和橡胶圈安装扭曲对密封接触状态的影响.通过对这些影响规律的分析,找出了造成密封失效的一些可能原因.关键词 有限元法;橡胶圈;结构分析1 引 言O 形圈在安装和密封过程中的变形及应力可以采用轴对称网格模型进行有限元分析,通过数值分析能够得到结构参数对橡胶圈与沟槽接触及变形状况的影响规律,较之传统的经验设计方法具有很多优点[1].但是,二维轴对称有限元模型对于O 型圈在安装或密封中的一些非轴对称问题却无能为力,这些非轴对称问题包括扭曲问题和同轴度问题.本文采用三维有限元模型描述O 形橡胶圈与沟槽所构成的力学模型,分析研究了扭曲和同轴度对密封圈变形及受力影响,通过有限分析结果得出几点有参考意义的结论.本文所分析的工程对象是12150柴油机油泵传动轴承密封结构,该结构的密封工况为静态密封.在实际产品中由于各种因素使得该密封经常失效,其中轴承与安装孔的同轴度和橡胶圈安装过程中的扭曲是造成严重泄漏的重要原因.通过采用本文的三维有限元分析方法,从数值上反映了这些因素对密封接触状态的影响.2 有限元模型的建立O 形圈密封结构三维有限元模型包括金属沟槽实体单元、橡胶结构实体单元和接触单元.在建立了几何模型之后,对实体单元进行网格划分,采用超弹性八节点六面体单元对O 形橡胶圈进行了映射式划分,其截面形态如图1所示,这样划分的结果能够保证截面单元具有良好的性态.根据产品生产单位提供的硅材料和试验数据,橡胶采用M ooney 2R ivlin 两项式应变能描述的超弹性材料,材料参数C 1为015516M Pa ,C 2为011739M Pa ,泊松比为01499.采用线弹性八节点六面体单元对沟槽进行网格划分,单元材料为金属铝,材料弹性模量为71000M Pa ,泊松比为013.密封结构的三维有限元网格模型如图2所示.对于不同的受力状况,O 形圈外表面任何一点都有可能与周围的密封沟槽发生接触,而接触单元的多少决定了计算规模的大小,因此需要根据具体问题建立接触单元.通过罚单元法求解接触问题时,划分接触单元必须要事先预计好可能发生接触的表面,划分单元时在适当1999年第4期兵 工 学 报坦克装甲车与发动机分册总第76期扩大的范围内建立接触单元.本文针对不同的实际边界条件划分了接触单元,其中包括面对面接触单元和点对面接触单元.针对不同的实际问题对模型施加适当的边界条件,在施加过程中考虑了保证求解成功及力学模型合理等问题,如消除O 形圈整体的刚体位移和刚性转动,消除大变形可能产生的过约束等.此外,由于橡胶密封问题是一个几何非线性、材料非线性及非线性接触的结构力学问题,所以对有限元计算过程的参数控制是十分重要的.如果不能够很好的处理其中的算法设置、迭代设置、收敛准则和收敛精度等,就很可能出现得不到结果以及耗费计算机资源过大或计算时间过长等现象.例如收敛精度设置太小使得收敛困难和求解代价过高,太大又会使得求解不准确.在求解之前,需要针对每个问题中O形圈可能产生的变形程度对各控制参数进行调整.图1 O 形圈三维实体单元截面图 图2 密封结构部分有限元网格 3 分析内容及结果讨论采用上述有限元模型,对O 形圈在同轴度取不同值的情况下进行了多方案分析,由此得到同轴度对密封的影响规律.并对橡胶圈在安装过程中可能产生的扭曲变形进行了探索性分析.311 同轴度影响密封沟槽的同轴度对O 形圈的密封性有不容忽视的影响:①当密封沟槽的同轴度较差时,使O 形圈的一部分压缩过大,另一部分压缩过小或不受压缩,造成在圆周上密封接触带宽度不等.当沟槽的同轴度大于O 形圈的压缩量时,密封会完全失效.②O 形圈沿圆周压缩不均,加之橡胶圈实际结构断面直径、材质硬度和润滑油膜不均匀以及沟槽表面光洁度低等因素,导致O 形圈的一部分沿工作表面滑动,另一部分在工作表面滚动,造成O 形圈的扭转.提高密封沟槽的制造精度,减小同轴度,是保证O 形圈具有可靠的密封性和寿命的重要措施.不少国家对此都有严格的要求.本文通过所建立的三维有限元分析模型对此问题进行了较精确的分析,量化了同轴度的影响规律,这对于准确研究此类问题具有一定的参考价值.在本文的讨论中,定义同轴度为轴心距与预压缩量的比值.从所得到的结果可以发现,同轴度大于0造成橡胶圈各截面的径向应力以及边界上的接触应力明显不同.本文对所计算的・13・ 第4期陈 宏等:橡胶密封圈三维接触问题的有限元分析实际问题在同轴度为50%和80%两种情况进行比较,当同轴度为50%时,外侧壁的最大接触应力与最小接触应力的比值为11207 01373=31256,而当同轴度为80%时,外侧壁的最大接触应力与最小接触应力的比值为11404 01024=58150.对密封接触带宽进行比较,当同轴度为80%时,最小接触应力一侧的接触带宽几乎为0.所以,在受到被密封液体应力作用时,由于两侧接触带宽和接触压力具有极大差别,所以极易产生扭曲和泄漏.通过分析可以发现,同轴度对小截面的橡胶圈影响较大,因此在采用小截面密封圈时更需要保证密封结构的同轴度尽量小.312 扭曲变形影响根据有限元分析和关于静密封的原理,O 形密封圈在满足稳定和均匀接触的条件下可以达到自密封,即密封液的压力的增加不会造成密封失效[2,3].而经验表明在发动机零部件中经常发生高压液体密封泄漏.因此,出现显著泄漏的原因在于自密封状态被破坏,这很有可能是由于各种因素的影响导致O 形圈扭曲变形(如图3所示),从而使O 形圈失去自密封位置和形态.图3 扭曲工况下的截面变形本文对O 形圈的扭曲变形进行了分析.在分析中,采用对O 形圈的对称的两个截面施加不同的边界条件模拟了扭曲.相对而言,摩擦对于O 形橡胶圈动密封的影响较静密封的影响要大得多,但是,在出现橡胶圈非正常变形时,考虑O 形圈恢复到正常的能力就与摩擦直接相关了.如果摩擦力过大,则O 形圈恢复到正常形状的可能性就越小,而摩擦力越小,这种恢复的可能性就越大.由分析可以看出,如果摩擦系数为0,所施加的初始扭曲变形最终会由于橡胶的弹性恢复而消除,这便达到自密封状态.而当摩擦系数达到一定值后,所施加的扭曲变形被残留下来,造成橡胶圈在圆周上接触不均匀,这就是可能破坏自密封的原因.由扭曲的分析结果还可以看到,当橡胶圈发生扭曲的时候,最大等效应力点处在施加扭曲的位置.如果安装过程造成不可恢复的扭曲,则扭曲位置长期处于应力集中状态就很容易造成材料破坏.参考文献1 左正兴,廖日东112150柴油机橡胶密封圈的有限元分析1内燃机工程,1996(2)2 B X 阿弗鲁辛科1橡胶密封1北京:北京机械工业出版社,19833 R H 沃林1密封件与密封手册1北京:北京国防工业出版社,1990(下转第45页)・23・兵工学报・坦克装甲车与发动机分册1999年 The Rem oval of Comm on Fuel L i ne M alfunction sof D iese Eng i neFeng Xunx in L iu J ianguo Feng B ing Zhang J ingp ing(O rdance Engineering In stitu te ,Sh i J ia Zhuang 050003)Abstract T h is p ap er analyzes the comm on fuel line m alfuncti on s of diesel engine and gives the rem oval m ethods.Key words engine ;fuel line ;m alfuncti on ;rem oval(上接第32页)FE M Analysis of 3D Con tact Problem i nRubber Seali ng R i ngChen Hong Zuo Zhengx ing L iao R idong(Beijing In stitu te of T echno logy ,Beijing 100081)Abstract T he p ap er analyzes the 3D m odel of rubber sealing ring w ith fin ite ele 2m en t m ethod .Con sidering the hyp er 2elasticity and con tact case ,it researches the ef 2fect on sealing and con tact by the coaxality of the sealed structu re and the disto rti on of the rubber ring du ring assem b ly .A s the influence p attern s are analyzed ,som e po ssib le facto rs resu lted in sealing failu re are found .Key words fin ite elem en t m ethod ;rubber sealing ring ;structu ral analysis ・54・ 第4期冯勋欣等:柴油机油路常见故障的排除。
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弹性金属密封圈接触应力实验测量及有限元分析张妙恬;索双富;姜旸;孟国营【摘要】提出一种利用万能电子试验机和压力敏感试纸测量弹性金属密封圈接触应力的实验方法,即应用万能电子试验机对C形密封圈施压,垫在C形密封圈下的薄膜压力敏感纸由于C形密封圈对其产生的压力变色,根据颜色变化得到密封圈的接触应力.采用该实验方法测得弹性金属密封圈的接触应力,同时通过ANSYS软件对C形弹性金属密封圈进行有限元建模并计算其接触应力.实验测量结果与有限元建模计算结果高度吻合度,证明了理论模型的正确性和实验方法的可行性与科学性.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2019(044)003【总页数】4页(P8-11)【关键词】弹性金属密封圈;C形密封圈;接触应力;压力敏感试纸【作者】张妙恬;索双富;姜旸;孟国营【作者单位】中国矿业大学 (北京) 机电与信息工程学院北京100083;清华大学机械工程系北京100084;清华大学机械工程系北京100084;中国矿业大学 (北京) 机电与信息工程学院北京100083【正文语种】中文【中图分类】TH136密封圈是许多高科技领域(如航空工业、人体工程工业等)的关键基础零部件[1-2]。
进入21世纪，国家已将研究密封件在内的关键基础零部件作为研究航空发动机技术的重点[3]。
航空发动机密封圈的工作环境兼具高温、高介质压力，同时还有交变载荷。
传统密封件在如此严苛的条件下难以表现出良好的工作性能，并且在不断承受法兰间的交变载荷后难以补偿自身与法兰之间产生的间隙而造成泄漏。
弹性金属密封应用在航空航天领域有着得天独厚的优势，其各种不同截面形状的产品如O形密封圈、C形密封圈、W形密封圈等已经投入市场，并被称为是传统密封的更新换代产品[4]。
C形密封圈的性能与其独特的截面形状息息相关。
在C形密封圈工作时，其开口处往往朝向密封气体的高压处，这使得C形密封圈具有优秀的自紧能力；同时在交变载荷的循环作用下，密封气体的压力可以帮助其进行回弹，以弥补密封圈与法兰之间的间隙，防止泄漏的发生[5]。
目前，国外对弹性金属密封圈研究已经较成熟。
由于弹性金属密封件性能优良，除了航空航天领域之外，该技术在国外开始广泛应用于核工业、化工业、医药行业等[6]。
在国内，弹性金属密封技术起步较晚。
由于国外的技术封锁，有关国外弹性金属密封技术的研究资料十分有限，仅可通过产品手册了解弹性金属密封件的部分性能信息。
关于C形弹性金属密封圈的研究，国内多以性能研究为主[7-8]，已经具备较为扎实的理论研究水平和与国际水平较为接近的制造水平。
但在C形密封圈的实验研究当中，多以压缩回弹测定为主，对于其接触应力的测试，尚无成熟的实验方法。
本文作者提出一种测量弹性金属密封圈接触应力的实验方法，即应用万能电子试验机对C形密封圈加压，通过垫在C形密封圈下的薄膜压力敏感纸测量得到C形密封圈的接触应力。
同时采用有限元分析方法对弹性金属密封圈接触应力进行分析，有限元分析结果与实验测量结果高度吻合，验证了实验方法的可行性与科学性。
1 C形圈接触应力实验测量方法1.1 实验装置1.1.1 接触应力测量装置实验中应用富士(FUJIFLIM)公司的压感纸作为接触应力测量设备。
根据C形密封圈模型仿真结果，实验用压感纸选择HS型号。
如图1所示，是压感纸的微观结构示意图。
压感纸结构分为3层，分别是聚酯片基层、显色薄层和微胶囊颜色形成薄层。
这种结构会在受不同压力的情况下显现出不同的颜色。
图1 压感纸结构图Fig 1 Structure of pressure sensitive test paper图2所示为压感纸说明书中给出的颜色-接触压力参考曲线。
当压感纸在一定的接触压力作用下变色后，与标准色卡进行对照，选择其颜色系数，并对应颜色-接触压力曲线图可读出接触压力值。
图2 压感纸颜色-接触压力图Fig 2 Color-contact pressure diagram of pressure sensitive test paper1.1.2 压缩力施加装置实验应用的压缩力施加设备是WDW-100/E型电子万能试验机，该试验机可以进行大载荷、多种温度条件下的压缩、拉伸、弯曲实验。
该试验机配备有计算机软件，该计算机软件可导出压缩回弹测量数据，可对压缩力和位移进行实时监测，可对试验机进行控制。
1.1.3 辅助垫片装置接触应力的测量受平整度影响较大，而万能试验机的压缩平台并非完全平整，因此选用耐压氧化锆瓷块作为实验垫片。
实验时，将压感纸和密封圈放置在两块氧化锆瓷片之间，使密封圈能够在完全平整的状态下承压。
氧化锆瓷片的受压强度为最高1 200 MPa，预估实验的最大受压强度为800 MPa，安全系数为1.5。
1.2 实验操作及参数裁剪符合实验规格大小的压敏纸，将压敏纸放置在两块氧化锆瓷片之间，将氧化锆瓷片放置在上下压头之间，保持同心对正，确保受力均匀。
将压头移动到与上瓷片接近但未接触的地方，选择速度为0.2 mm/min，控制压头自动向下移动，直到通过计算机能够观察到力传感器示数不为0时停止；当力传感器初次产生示数后，在计算机上选择压缩回弹实验模块，选择下压速度为0.02 mm/min，当压缩量达到0.24 mm时暂停压缩；在达到最大压缩量时保持衡力2 min，让压敏纸充分受压变色。
改变压头位移方向，选择速度为0.4 mm/min使其上移；当压头回到位移原点时，保存压缩回弹实验数据。
将压敏纸与色卡一并扫描，用于分析实验数据。
实验参数如表1所示。
表1 实验参数Table 1 Experimental parameters参数名称参数值实验温度t/℃20介质压力p/MPa0压缩量s/mm0.24压缩速度v1/(mm·min-1)0.02卸载速度v2/(mm·min-1)0.041.3 实验结果及比较将压敏纸与色卡扫描在同一个文件中，以避免扫描设备对颜色分析结果的干扰。
图3所示为实验压痕扫描放大图，在实验结果中寻找压痕最粗、颜色最深的一段，压痕对应的色卡系数为1.1。
根据图2中的色卡系数与接触压力的对应关系，求得此段压痕的接触应力为140 MPa。
图3 实验压痕扫描放大图Fig 3 Experimental indentation scan enlargement2 C形密封圈有限元分析2.1 模型建立对上海某公司生产的C形金属密封圈建立有限元模型，结构几何参数如表2所示。
表2 C形圈几何参数Table 2 Geometric parameters of C-ring mm几何结构参数数值密封圈外径D40.6密封圈自由高度HF2.39弹性金属壁厚T0.25镀层金属厚度 B0.03在C形密封圈的有限元模型计算过程中，选择整个截面及上下法兰作为建模对象。
在计算单元的选取中，选择Plane182单元作为C形密封圈的计算单元。
同时考虑要进行接触应力的计算，选择Contact172与Target169作为接触对，Contact172为C形密封圈镀层接触面，Target169为上下法兰接触面。
选取BISO材料本构模型，即双线性等向强化材料模型，在材料的选取上，合金机体材料选取Inconel718，镀层材料选取银。
具体材料参数参见表3[9-10]。
表3 C形圈ANSYS建模材料参数Table 3 ANSYS modeling material parameters of C-ring材料弹性模量E/GPa泊松比屈服强度σ/MPa塑性段斜率E′/GPaInconel7182140.31 1504银820.38300.418搭建C形密封圈几何模型，完成单元选择、材料模型搭建、网格划分。
此时C形密封圈与法兰处于接触的临界状态，也是初始状态。
然后对上法兰施加位移，使其下压预设的压缩量(0.24 mm)。
此时C形密封圈与法兰之间发生力的作用，产生变形，这是计算的最终状态。
在该状态下读取C形密封圈的接触应力分布，作为其在工作条件下的力学性能计算结果，如图4所示。
图4 C形密封圈Von-mises应力分布Fig 4 Von-mises stress distribution ofC-ring2.2 计算结果分析图5所示为C形密封圈工作条件下接触面接触应力分布情况。
可知：接触应力呈现两边上升(下降)快，中间平稳的分布状况。
图5中辅助线为银层屈服强度，由此可知绝大部分接触宽度对应的接触应力均在银层屈服强度之上，这使得银层能够充分变形、延展，填补密封面与法兰之间的泄漏通道。
图5 C形密封圈接触应力分布Fig 5 Contact stress distribution of C-ring通过C形密封圈模型进行有限元计算，得出的接触应力分布结果如图6所示。
最大接触应力为133.57 MPa，与实验测得的140 MPa十分接近，误差为4.8%。
既证明了理论模型的正确性，也印证了实验方法的科学性。
图6 C形密封圈模型应力计算结果Fig 6 Model stress calculation results3 结论通过ANSYS软件对C形弹性金属密封圈进行有限元建模并分析，创新性地应用万能电子试验机和薄膜压力敏感纸，对C形弹性金属密封圈的接触应力进行测量。
实验测量结果与有限元建模计算结果吻合度高，误差仅为4.8%。
既证明了理论模型的正确性，也验证了实验方法的可行性与科学性，为弹性金属密封圈接触应力的测量提供了一种新的实验方法。
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