利用有限元软件对某固体发动机O形橡胶密封圈装配过程进行仿真分析。 研究了装配过程中密封圈材料参数、 密封圈与发动机壳体摩擦系数、 轴向装配速度和结构参数对密封圈剪应力的影响。 结果表明， 材料参数、 摩擦系数以及装配速度是影响密封圈最大剪应力的主要因素。
关键词： 固体发动机； O形橡膠密封圈； 装配； 有限元； 超弹性
中图分类号： V435 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2017）06-0072-05[SQ0]
0 引 言
空空导弹固体发动机工作环境复杂[1]， 发动机工作过程中燃烧室承受高温、 高压燃气， 因此密封结构的可靠性是发动机设计的关键技术之一。 燃烧室零件之间的密封一般采用O形橡胶密封圈， 密封圈能否可靠工作直接关系到发动机任务成败。 发动机密封在设计、 生产、 使用等环节均需要重点关注。 特别是在生产环节的装配质量， 是决定密封结构是否可靠的关键一环。 但密封圈在装配过程中难以观察， 密封圈是否会发生剪切破坏不容易被发现， 因此通过对装配过程仿真， 从而在理论上获得各参数对装配的影响规律， 最大程度避免密封圈在生产过程中受剪切破坏。
国内针对O形橡胶密封圈的密封性能研究较多[2-14]。 陆婷婷等[2]对O形橡胶密封圈的截面直径、 间隙张开量、 间隙张开时间、 压缩率和压力对密封圈密封性能的影响进行了仿真分析。 闫平义等[9]设计了橡胶回弹性测试仪， 对固体火箭发动机用氟橡胶圈密封材料回弹特性进行了研究。 陈汝训[13]对提高密封结构可靠性提出了有益的建议。
国内研究主要集中在密封圈使用过程， 对密封圈装配过程研究较少。 本文对某型发动机前封头装配过程进行了有限元仿真， 对装配过程影响密封圈受剪切的几种因素进行梳理和参数影响分析， 得到了主要影响参数， 结论对设计与生产具有一定的参考意义。
1 仿真分析
1.1 假设条件及模型参数
发动机密封圈装配过程仿真模拟， 假设：
（1） 发动机各金属组成设为刚体；
（2） 橡胶材料各向同性， 且近似不可压缩；
（3） 考虑几何非线性效应；
（4） 前封头装配过程与燃烧室筒体（以下简称筒体）完全对中。
有限元软件用应变势能来表达超弹性材料的应力-应变关系， 有多种不同的应变势能模型。 此外， 有限元软件可直接输入试验数据， 包括：
（1） 单轴拉伸和压缩；
（2） 等双轴拉伸和压缩；
（3） 平面拉伸和压缩；
（4） 体积拉伸和压缩。
由于单轴试验数据容易得到， 且应用最为广泛， 本文采用单轴拉伸试验数据。
发动机前封头与筒体密封结构件如图1～2所示。 图1为装配前结构位置， 图2为装配后结构位置。
模型橡胶密封圈参数中， 泊松比取0.499 99， 单轴拉伸数据如图3所示。 装配速度0.5 mm/s， 不计密封圈与筒体和前封头之间的摩擦。
1.2 装配过程分析
装配过程中， 密封圈在封头密封槽里， 封头沿轴向朝着筒体内部方向平行推进， 进入密封面倒角时， 密封圈被压缩变形， 当密封圈完全进入密封面后， 封头继续沿原方向移动， 直至达到安装。
密封圈进入密封面的整个过程如图4～7所示。 由图可知， 密封圈通过筒体倒角时， 首先与封头的尖角a和筒体的尖角b接触， 此时由于密封圈变形较小， 未产生较大剪应力， 如图4所示。 在通过筒体尖角c时， 产生最大剪应力， 此时密封圈容易受剪切破坏， 达到最大剪应力， 如图5～6所示。 当密封圈全部进入筒体密封面后， 密封圈剪应力由外到内层层均匀增大， 如图7所示。
2 参数影响分析
密封圈装配过程影响因素较多， 通过辨识， 对O形橡胶密封圈材料参数、 结构参数、 摩擦系数和装配滑动速度进行参数化仿真分析， 得到了各参数对发动机密封圈装配过程影响程度结果。 为方便模型间对比分析， 所有计算结果均为密封圈上最大剪应力位置点随时间变化数据。
2.1 橡胶材料参数
实际生产过程中， O形橡胶密封圈材料拉伸的应力-应变曲线均有不同程度差异。 表观上， 橡胶材料拉伸数据中同样应变条件下应力越大， 则材料硬度越高。 为研究拉伸曲线对密封圈装配过程影响， 对三种材料应力-应变曲线进行了仿真对比， 应力-应变曲线如图8所示， 其他参数与1.1节相同。
橡胶硬度与材料拉伸曲线具有相关性， 相对来说橡胶材料A表现高硬度、 橡胶材料B中硬度、 橡胶材料C低硬度。
图9所示为三种材料的剪应力-时间变化曲线。 从图9可以看出， 材料A最大剪应力高于材料B达2倍以上， 材料C也高于材料B， 因此材料力学性能曲线对装配过程具有较大影响。 此外， 当密封圈装入密封面后， 残余剪应力也与材料力学曲线相关。 表现为材料A最大， 材料B最小， 材料C略大于材料B。 而残余应力对橡胶老化具有较大影响[13]， 因此， 为避免装配过程中过高剪应力以及橡胶材料过快老化， 应选择应力-应变曲线适中的橡胶。
2.2 结构参数
由图4～5和图9可知， 密封圈在筒体尖角c位置产生最大剪应力， 因此对该尖角设计过渡圆弧并进行仿真
