三轴可燃冰试验机压力室的强度与密封研究

刘 辉 尹明富

(天津工业大学机械工程学院，天津 300387)

天然气水合秀(可燃冰)是一种清洁能源，但是，天然气水合物是一种亚稳态状态，开采过程中的温度与压力的变化会造成水合物沉积层的结构变化，影响施工的安全性，甚至造成地质灾害[1]。

为研究天然气水合物沉积层的力学性能(如强度、变形模量和渗透率等)，设计一台常规三轴试验机。压力室是试验机的重要组成部分，其为试样提供一个密闭的实验环境，压力室结构如图1所示。

压力室的强度与密封性会直接影响试验结果的准确性，因此对其强度与密封性的研究具有重要的实际应用价值。使用有限元分析软件ANSYS Workbench与ABAQUS分别对压力室的强度与密封性进行研究，为压力室的性能分析提供参考依据。

1 压力室强度分析

压力室由主腔室、底座与顶座组成，通过螺栓连接连为一体。压力室的底座与顶座采用304不锈钢材料，在12 MPa的工作围压下，其产生的微小变形可以忽略不计[2]。而压力室的主腔室采用有机玻璃非金属材料，其所受应力及变形的大小直接影响压力室的可靠性。

1—密封圈 2—压头 3—顶座 4—围压柱塞泵 5—轴向位移传感器 6—加载杆 7—橡皮膜 8—试样 9—主腔室 10—底座图1 压力室整体结构图Figure 1 Integral structure of pressure chamber

1.1 主腔室模型建立

主腔室是一个圆柱形厚壁筒体，鉴于其几何形状及所受载荷对称的情况，使用ANSYS Workbench软件自带的建模平台Design Modeler建立主腔室14结构的三维模型[3]，采用六面体单元格进行网格划分，将主腔室三维模型划分为65 826个单元格，278 890个节点数。有机玻璃的力学性能见表1[4]。采用双线性等向强化模型(Bilinear Isotropic Hardening)，假设有机玻璃为理想弹塑性材料。

1.2 边界条件约束与载荷施加

在主腔室对称的两个侧面施加无摩擦支撑约束，并固定约束压力室上下两端面的台肩[5]。将整个主腔室的内表面作为承压面，施加12 MPa的均布载荷。主腔室边界约束与载荷施加如图2所示。

表1 有机玻璃力学性能Table 1 Mechanical property of organic glass

图2 主腔室约束及加载图Figure 2 Constraints and loading of main chamber

1.3 计算结果分析

由图3可知，在当前设计结构和承载条件下，最大等效应力在主腔室内壁，为20.9 MPa，小于材料屈服强度50 MPa，所以压力室强度满足要求，是安全的。等效应力沿半径方向慢慢减小，在外壁等效应力值最小，应力分布的趋势与理论模型相吻合。可以看出，最大变形同样发生在内壁，约为0.30 mm，产生的变形相比主腔室的整体体积可以忽略不计，满足刚度要求。

(a)等效应力云图(b)变形云图

图3 主腔室等效应力与变形云图
Figure 3 Equivalent stress and deformation cloud charts of main chamber

2 压力室密封性分析

压力室主腔室与底座、顶座通过O形密封圈进行密封。密封效果取决于密封时的接触应力，其重要影响因素包括：沟槽尺寸、压缩率及材料参数等[6]。在高压(>10 MPa)条件下，为避免O形密封圈因介质压力的作用被挤入沟槽口造成密封失效，通过加装挡圈来降低密封圈的集中应力[7]。利用ABAQUS有限元软件分析主腔室与底座之间的O形密封圈在12 MPa工作介质压力下的密封性能，得出压力室整体的密封性。主腔室与底座密封结构如图4所示。

2.1 模型建立

使用ABAQUS有限元软件建立O形密封圈分析模型作了如下假设：

(1)将弹性模量大于密封圈的主腔室和底座作为刚体进行模拟分析。

(2)材料的弹性模量E和泊松比μ具有确定值。

(3)忽略温度变化对密封性能的影响。

O形密封圈材料为丁腈橡胶(NBR)，型号118×3.55，硬度IRHD70，密度1.5×10-6kgmm3。挡圈为聚四氟乙烯(PTFE)材料，厚度为1.5 mm，径向宽度2.8 mm。聚四氟乙烯弹性模量为200 MPa，泊松比为0.45。根据标准推荐值设定沟槽尺寸，槽高为2.75 mm，槽宽为6.2 mm，槽口倒角为0.2 mm，槽底倒角为0.4 mm，密封间隙为0.05 mm[8]。

图4 压力室密封结构图及仿真模型Figure 4 Seal configuration and simulative model of pressure chamber

丁腈橡胶是一种不可压缩的超弹性材料，具有高度的几何非线性、材料非线性和接触分线性三重非线性特性[7]。采用二参数Moony-Rivlin本构模型定义橡胶材料属性，应变能密度函数为：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

式中，C10、C01为材料的Moony-Rivlin系数；I1、I2为第一、第二张量不变量。

ABAQUS有限元软件中，只需定义C10与C01的值就可以定义橡胶材料的属性。取系数C10=1.907，C01=0.477[9]。

由于O形圈、主腔室与底座结构、受力与变形都是轴对称的，对O形圈及密封结构进行分析时，可以建立二维轴对称模型。采用单元类型CAX4H对O形密封圈划分网格，模拟其不可压缩行为，为了提高分析的精度，采用了相对粗糙的网格[10]。

2.2 添加分析步

在初始分析步中，将底座刚体模型固定，即约束模型所有的自由度。压力室密封性能分析由两个分析步组成：

第一步为O形圈的预压缩，给定主腔室刚体模型一个竖直向下的位移，模拟O形圈的装配过程；

第二步为在O形圈受压一侧添加介质压力载荷，模拟O形圈受介质压力的工作状态。

2.3 定义接触

接触条件建立O形密封圈与主腔室、O形密封圈与底座、O形密封圈与挡圈、挡圈与主腔室、挡圈与底座共5对接触对，设定O形密封圈与主腔室接触对为主密封面，O形密封圈与底座沟槽接触对为副密封面。接触算法均采用罚函数算法(Penalty)，摩擦选用库伦摩擦模型，其中密封圈与底座和主腔室接触面摩擦系数设置为0.25，由于聚四氟乙烯有极小的摩擦系数，所以其余接触面摩擦系数设置为0.01。

2.4 仿真结果分析

对密封圈的仿真分析，主要分析其在介质载荷下的3种受力：等效应力、接触压力和剪切应力。

2.4.1 O形密封圈Von Mises应力

Von Mises应力是一种基于剪切应变能的等效应力，其表达式为：

式中，σ1、σ2、σ3分别为3个方向的主应力。

Von Mises应力大小反应了密封圈截面上3个方向主应力差值大小，通常，Von Mises应力值越大，橡胶材料越容易出现裂纹，造成密封性能下降，从而失效。

图5给出了压缩率为21%，介质压力为12 MPa的主腔室密封结构的Von Mises应力分布图。从图5可以看出，整体密封结构中最大Von Mises应力集中分布在挡圈与沟槽口倒角接触处，而O形密封圈的应力分布比较均匀，呈对称分布，其最大应力为2.8 MPa，小于丁腈橡胶屈服点22 MPa。由于聚四氟乙烯挡圈的配合，O形密封圈不存在被挤伤的风险，挡圈能够有效对O形密封圈形成保护，延长密封圈的使用寿命。

2.4.2 O形密封圈接触应力

接触应力大小反应密封圈的密封能力，当接触应力大于工作介质压力时，才能保证密封圈有足够的密封能力。

图6表示12 MPa介质压力下O形密封圈主密封面和副密封面接触应力分布图，最大接触应力位于密封面的中间位置。图6(b)为密封圈主密封面与副密封面的接触应力与接触宽度的关系曲线，从图中看出，两密封面接触压应力分布基本相似，而且两密封面最大接触压力均大于介质压力，O形密封圈满足密封要求。

(a)挡圈与密封圈Von Mises云图

(b)密封圈Von Mises云图

(a)密封圈接触应力云图

(b)O形密封圈主、副接触面接触应力分布图图6 压力室密封结构接触应力云图Figure 6 Contact stress cloud charts of pressure chamber seal configuration

2.4.3 O形密封圈剪切应力

剪切破坏是密封圈发生破坏的重要原因，当剪切应力大于丁腈橡胶材料的剪切强度，O形密封圈就会产生撕裂破坏，造成密封失效。

图7 O形密封圈剪切应力云图Figure 7 Shearing stress cloud chart of O shaped seal ring

O形密封圈剪切应力云图如图7所示，最大剪切应力处于密封圈与主腔室和挡圈接触面的附近，最大剪切应力值未超过丁腈橡胶材料的剪切强度，密封圈不会发生剪切破坏。

3 结论

(1)利用ANSYS Workbench对压力室主腔室强度进行有限元分析，主腔室最大等效应力小于PMMA的强度极限，说明主腔室的强度方面满足设计要求。

(2)使用ABAQUS对压力室主腔室与底座密封结构进行非线性有限元分析，密封圈的主密封面与副密封面最大接触压力均大于介质压力，O形密封圈满足密封要求。主腔室与顶座采用同样的密封方式，因此也满足密封要求。所以压力室整体密封性能满足试验要求。

(3)O形密封圈最大剪切应力值小于丁腈橡胶材料的剪切强度，密封圈不会发生撕裂破裂现象。

(4)通过对压力室的强度与密封性的分析，对整个压力室的结构以及试验机的设计奠定了理论基础。并且采用有限元分析方法可以明显提高解决问题的效率。