摘要
利用ABAQUS有限元分析软件，对某航天器贮箱容器GH4169合金O形密封环（简称O形环）进行了有限元分析，探讨了O形环不同压缩率、尺寸、涂层因素对O形环回弹及密封性能的影响。结果表明：压缩率是O形环回弹特性的重要影响因素，不同压缩率下O形环回弹量和回弹率有较大差别；O形环结构尺寸（外径、壁厚）对接触应力等接触性能影响较大；增加涂层有助于提高接触面宽度，但接触应力会有所降低。因此，法兰密封设计中密封环的选取需要综合考虑压缩量、结构尺寸、涂层等影响因素。
运载火箭的贮箱是航天运载器动力系统的关键部件之
目前，国内外对金属O形环密封的研究已有相关报道。沈明学
目前，国内外对于O形环研究主要集中于核压力容器，对于某些航天器用压力容器研究较少。由于航天器密封所用的O形环尺寸较小，如外径为5 mm，通过实验验证其回弹及密封性能较为困难，实验精度要求较高。因此，本文利用有限元方法对某航天用密封环进行回弹及密封性能分析，重点讨论GH4169合金O形环压缩率、外径、壁厚及涂层因素对密封的影响规律，其研究可为密封结构设计提供指导。
航天用某压力容器法兰密封处简化结构如
图1 某航天用压力容器密封结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of sealing structure for a certain aerospace pressure vessel
| 结构 | 材料 | E/MPa | μ |
|---|---|---|---|
| O形环 | GH4169 |
2.14 | 0.3 |
| 涂层 | 聚四氟乙烯 | 500 | 0.3 |
金属O形环的压缩回弹属于非线性行为，涉及材料非线性、几何非线性。根据O形环结构及受力特点，取上下法兰和O形环为研究对象，建立二维轴对称模型。其中，O形环设置为弹性体，上下法兰简化为平面刚体，如
图2 网格模型
Fig.2 Grid model
图3 边界设置
Fig.3 Boundary setting
O形环采用CAX4R单元（4节点轴对称减缩积分单元）。对模型进行网格无关性验证，网格尺寸为15和10 μm时最大MISES应力相差小于5%。为提高计算效率，有限元分析网格尺寸选用15 μm。
影响O形环密封特性因素较多，外部因素如密封环压缩率、密封槽槽深、密封环与法兰之间摩擦因数等；内部因素如密封环外径、壁厚、材料等。
受到介质内压、温度载荷等作用，上下法兰之间产生轴向位移，出现一定开缝，O形环由于具有回弹能力，可以对密封面分离进行补偿，以保证达到密封要求。因此，O形环压缩—回弹特性是密封设计重要参考因素。压缩率为O形环压缩量与外径的比值；回弹量为O形环压缩—卸载后回弹值的大小。考虑到压缩率超过30%时，O形环中心凹陷程度较大，接触边界较复杂。因此，对O形环选取压缩率最大不超过30%的六组压缩率进行压缩回弹模
图4 O形环塑性应变云图
Fig.4 Plastic strain cloud map of O-ring
（a） 压缩率5% （b） 压缩率10% （c） 压缩率15% （d） 压缩率20%
压缩率为5%，O形环上下顶点位置、左右弯曲较大位置出现了塑性应变，随着压缩率增加塑性应变逐渐增大。由云图看出，上下顶点处塑性应变大于左右侧塑性应变，内侧塑性应变大于外侧塑性应变。
图5 d=5 mm的O形环回弹率变化曲线
Fig.5 Rebound rate variation curve of O-ring with d=5 mm
图6 d=6 mm的O形环回弹率变化曲线
Fig.6 Rebound rate variation curve of O-ring with d=6 mm
图7 外径对O形环最大、最小接触应力的影响
Fig.7 The influence of outer diameter on the maximum and minimum contact stress of O-ring
图8 外径对O形环接触应力分布的影响
Fig.8 The influence of outer diameter on the distribution of contact stress of O-ring
图9 壁厚对接触应力分布的影响
Fig.9 The influence of wall thickness on the distribution of contact stress
图10 壁厚对接触宽度的影响
Fig.10 The influence of wall thickness on contact width
涂层是影响O形环密封性能的重要因素之一，增加涂层可以提升密封表面的密封性
图11 增加涂层O形环压缩载荷-位移对比
Fig.11 Comparison of compressive load and displacement of coated O-ring
| O形环 | 最大载荷/(N·m | 增加率/% |
|---|---|---|
| 无涂层 | 106.5 | - |
| 涂层0.1 mm | 110 | 3.3 |
| 涂层0.2 mm | 115 | 8 |
图12 增加涂层后O形环接触应力对比
Fig.12 Comparison of contact stress after coated O-ring
（1）压缩率对O形环密封面接触应力分布、接触宽度及塑性变形等特性有重要影响。压缩率过小，接触面接触应力较小；压缩率过大，O形环塑性变形增大，接触面中心位置凹陷增大，密封性能降低。因此，压缩率为10%~20%，O形环回弹率及接触应力分布较为理想，密封性能最佳。
（2）O形环尺寸（外径、壁厚）不同，其密封性能差别较大。增加壁厚，O形环接触应力会提高，但回弹率和回弹量会降低；增加外径，最大接触应力会降低。因此O形环选取要综合考虑外径及壁厚的影响。
（3）涂层材料对接触应力起到均化作用，接触宽度增加，接触应力分布更均匀，密封更稳定。
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