兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 240371-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0371
王凯1, 郑孟伟2, 巩浩1,3,4,*(), 刘检华1,3,4, 赵有磊2, 刘少丽1,3,4
收稿日期:
2024-05-15
上线日期:
2025-06-28
通讯作者:
WANG Kai1, ZHENG Mengwei2, GONG Hao1,3,4,*(), LIU Jianhua1,3,4, ZHAO Youlei2, LIU Shaoli1,3,4
Received:
2024-05-15
Online:
2025-06-28
摘要:
金属密封圈在各种机械产品中广泛应用,其主要依靠粗糙表面弹塑性接触变形实现密封。针对传统的粗糙表面微观接触有限元仿真方法计算效率低、弹塑性接触变形收敛困难的问题,提出有限元-边界元耦合的金属密封圈弹塑性微观接触计算方法。建立金属密封结构宏观有限元模型,精确求解密封面接触应力分布;建立密封面微观形貌,在弹塑性接触等效的基础上,以宏观接触应力分布作为边界条件,提出残余形变量和残余应力场叠加的弹塑性接触计算边界元方法,求解粗糙表面弹塑性变形的接触状态。同时,对密封面微观接触等效建模方法进行验证,并与粗糙表面微观接触的有限元仿真方法进行对比,证明所提有限元-边界元耦合仿真方法与有限元方法计算精度相当,但是计算效率提高了近8倍。采用四联通网格模型求解密封面泄漏通道,作为密封性能评价指标,系统研究材料参数、接触应力、表面粗糙度、粗糙表面参数等因素对金属圈密封性能的影响规律。搭建密封实验台对金属圈的泄漏率进行测量,获得了金属圈实际泄漏率随法向载荷的变化规律,仿真结果与实验规律趋势一致。
中图分类号:
王凯, 郑孟伟, 巩浩, 刘检华, 赵有磊, 刘少丽. 金属圈弹塑性接触计算与密封性能分析[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240371-.
WANG Kai, ZHENG Mengwei, GONG Hao, LIU Jianhua, ZHAO Youlei, LIU Shaoli. Elastic-plastic Contact Calculation and Sealing Performance Analysis of Metal Sealing Ring[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240371-.
图2 有限元-边界元耦合的金属密封圈接触计算与密封性能分析流程
Fig.2 Flowchart of contact calculation and sealing performance analysis of metal sealing ring based on coupled finite element-boundary element method
材料 | 屈服强度/ MPa | 弹性模量/ GPa | 切线模量/ MPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
30CrMnSiA | 835 | 206 | 2553 | 0.30 |
TC11钛合金 | 900 | 107.8 | 1 814 | 0.34 |
T2紫铜 | 70 | 108 | 868 | 0.35 |
表1 不同材料的材料属性
Table 1 Material properties of different materials
材料 | 屈服强度/ MPa | 弹性模量/ GPa | 切线模量/ MPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
30CrMnSiA | 835 | 206 | 2553 | 0.30 |
TC11钛合金 | 900 | 107.8 | 1 814 | 0.34 |
T2紫铜 | 70 | 108 | 868 | 0.35 |
等效前后 | 弹性模量/ GPa | 泊松比 | 屈服强度/ MPa | 切线模量/ MPa | |
---|---|---|---|---|---|
等效前 | 表面1 | 120 | 0.3 | 1200 | 10000 |
表面2 | 120 | 0.3 | 500 | 10000 | |
等效后 | 60 | 0.3 | 500 | 10000 |
表2 等效前后的材料属性
Table 2 Material properties before and after equivalence
等效前后 | 弹性模量/ GPa | 泊松比 | 屈服强度/ MPa | 切线模量/ MPa | |
---|---|---|---|---|---|
等效前 | 表面1 | 120 | 0.3 | 1200 | 10000 |
表面2 | 120 | 0.3 | 500 | 10000 | |
等效后 | 60 | 0.3 | 500 | 10000 |
图12 有限元方法(左)和有限元-边界元耦合方法(右)的接触计算示意图
Fig.12 Contact calculation diagrams of finite element method(left) and finite element-boundary element coupling method(right)
图13 有限元方法(左)和有限元-边界元耦合方法(右)的接触间隙分布计算结果
Fig.13 Calculated results of contact gap distribution obtained by finite element method(left)and finite element-boundary elementcoupling method(right)
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