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基于Ansys的舰用大尺寸异形密封圈双向密封性能数值研究
摘要
本文基于Ansys软件对舰用大尺寸异形密封圈的双向密封性能进行了数值研究。通过分析不同尺寸、不同材料、不同结构的密封圈，得出了其密封性能随参数变化的规律。结果表明，在一定范围内，增大密封圈尺寸和减小材料硬度可以提高密封效果，而增加密封圈压缩度和嵌套度可以进一步提升密封性能。本文的研究成果对优化舰船密封系统的设计具有重要意义。
关键词：Ansys；密封圈；双向密封性能；尺寸；材料；压缩度；嵌套度
Abstract
Thispapernumericallystudiesthebi-directionalsealingperformanceoflarge-sizedasymmetricsealringsinships,basedontheAnsyssoftware.Byanalyzingsealringswithdifferentsizes,materials,andstructures,theregularitiesofsealingperformancewithparameterchangesareobtained.Theresultsshowthatwithinacertainrange,increasingthesizeofthesealringandreducingthematerialhardnesscanimprovethesealingeffect,whileincreasingthecompressionandnestingsofthesealringcanfurtherenhancethesealingperformance.Theresearchresultsofthispaperareofgreatsignificanceforoptimizingthedesignofshipsealingsystems.
Keywords:Ansys;Sealring;Bi-directionalsealingperformance;Dimensions;Materials;Compression;Nestings
引言
舰船密封系统是军舰航行安全、作战效能的重要保障。而密封圈作为密封系统中最常用的密封元件，其性能直接影响着整个系统的可靠性和效率。因此，对密封圈的研究和优化设计具有十分重要的意义。
在实际应用中，舰船密封系统常受到海洋环境的强烈冲击和不断变化的外部压力，因此要求密封圈具备高强度、高耐久性和良好的密封性能。同时，由于密封圈的结构和尺寸十分复杂，其密封性能的研究往往需要依靠数值模拟方法。
本文利用Ansys软件对舰用大尺寸异形密封圈的双向密封性能进行了数值研究。通过改变密封圈的尺寸、材料、压缩度和嵌套度等参数，研究其对密封效果的影响。
密封圈模型的建立
首先，根据实际应用需求，选取合适的密封材料和结构形式，设计出一组大尺寸异形密封圈模型，如图1所示。连接密封圈的两个半圆环分别为轮缘和轴颈，其间用密封圈进行双向密封。
图1大尺寸异形密封圈的结构图
在建模过程中，先使用Pro/E软件绘制密封圈的三维模型，然后将模型导入Ansys软件中。其质量、力学参数等参数需要先进行预处理，然后再进行数值分析。
模拟分析
本文对以上建立的密封圈模型进行了双向密封性能的数值分析。首先，分别对密封圈的尺寸、材料、压缩度和嵌套度等参数进行改变，然后计算得出密封圈的密封效果。最终，得出了密封性能随参数变化的规律。
1.尺寸
首先，将密封圈的内径分别设置为50mm、60mm、70mm，外径均为100mm，即改变了密封圈的尺寸。运行Ansys软件，分别计算得出了三种尺寸下密封圈的双向密封效果。
根据模拟结果，得出了密封效果随密封圈尺寸变化的规律，如图2所示。从图中可以看出，随着密封圈的内径变大，其密封效果也随之逐渐提高。这是因为增大密封圈内径可以增加其表面接触面积，进而提高密封效果。
图2密封效果随密封圈内径变化的规律
2.材料
接下来，将密封圈材料分别改为不同硬度的橡胶材料，再计算其双向密封效果。具体来说，分别选取材料硬度HS60、HS70、HS80，分别对应硬度系数分别为1.2×10^6N/m²、1.0×10^6N/m²、0.8×10^6N/m²的橡胶材料。
根据模拟计算结果，得出了密封效果随密封圈材料硬度变化的规律，如图3所示。从图中可以看出，随着密封圈材料硬度逐渐降低，其密封效果也随之逐渐提高。这是因为材料硬度越低，越容易在内部产生变形，而变形可以增加密封面之间的接触压力，进而提高密封效果。
图3密封效果随密封圈材料硬度变化的规律
3.压缩度
进一步，改变密封圈的压缩度，即压缩和非压缩状态下的密封效果不同，其结果如图4所示。其中，压缩率分别设置为10%、20%、30%。