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硕士学位论文 金属橡胶密封系统模型建立及 仿真分析 metal rubber sealing system model establishment and simulation analysis 王 亮 王 亮 2010 年年 6 月月 国内图书分类号：th136 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工学硕士学位论文 金属橡胶密封系统模型建立及 仿真分析 硕 士 研 究 生：王亮 导 师：姜洪源 教授 申请学位：工学硕士 学科：机械设计及理论 所 在 单 位：机电工程学院 答 辩 日 期：2010 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index: th136 u.d.c: 621 dissertation for the master degree in engineering metal rubber sealing system model establishment and simulation analysis candidate： wang liang supervisor： prof. jiang hongyuan academic degree applied for： master of engineering speciality： mechanical design and theory affiliation： school of mechatronics engineering date of defence： june, 2010 degree-conferring-institution：harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 金属橡胶材料密封技术的研究是金属橡胶技术研究领域的一个重要方向。由于金属橡胶密封件具有工作温度范围大、承载能力大、耐腐蚀、寿命长、不易老化、可靠性高、结构具有可设计等特点，所以在航空航天、国防等特殊领域中也具有其它密封件无法比拟的优良性能。本文以金属橡胶密封件在航空航天中的应用为背景，通过理论分析和实验研究，揭示了金属橡胶密封技术的密封机理，并对金属橡胶密封系统做了有限元仿真分析。 为了建立金属橡胶密封系统力学模型，论文研究中制作了不同相对密度的金属橡胶弹性元件，利用专用实验设备对试件进行了实验研究，并对实验结果进行了分析研究，得出了金属橡胶试样沿不同方向的弹性模量和泊松比，并对最大初始应变对金属橡胶材料力学性能的影响进行了深入的分析。 以实验研究为基础，依据由实验获得的金属橡胶材料力学性能参数，通过对金属橡胶密封系统的合理简化，建立了金属橡胶密封系统的接触模型，分析了金属橡胶密封时接触压力的分布状态， 并对接触压力的分布做了简单的假设，进而推导出了最大接触应力的计算式；分析了有、无介质作用下的密封系统，研究了密封介质压力对密封性能的影响；在接触力学模型的基础上，研究了金属橡胶密封机理，得出了密封系统的泄漏率模型，为金属橡胶密封件的应用提供了理论基础。 对金属橡胶密封件进行了等效简化，建立了密封系统的三维模型，利用ansys有限元软件对三维模型进行了受力分析及有限元仿真， 并对有限元仿真结果与理论计算结果进行了分析，得出密封件应力分布状态，证实密封模型中应力状态的假设；有限元计算结果与密封系统的接触力学模型进行对比，验证了接触力学模型的正确性。 本论文研究内容是国家自然科学基金项目（项目号：50705016）的一部分。 关键词：金属橡胶；力学性能参数；密封系统；泄漏率；仿真分析 - i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract metal rubber sealing technology research is an important direction in the field of metal rubber. as the metal rubber seals have features like inclusive working temperature, high carrying capacity, corrosion resistance, long life-time and anti-aging, high reliability, designable, etc, so they can be used as seal. mr seals also have other good sealing performance that can not be matched in the aerospace, national defense and other special areas. this paper bases on mr seals in aerospace application, through experiments and theoretical studies , reveals the metal sealing mechanism of rubber sealing technology, and does finite element simulation on mr sealing system. we make mr samples of different relative density on account of demand to create a sealed mechanical model, use special equipment to do experimental study on samples, analyze the result, obtain elastic modulus and poissons ratio in different directions, we also do deep analysis on the influence that the maximum initial strain put on the mechanical properties of mr, make foundation to mr seal models creation. base on the mechanical properties of metal rubber, we establish the contact model of mr seal system through a reasonable simplification, analyze the contact pressure distribution, and do a simple assumption on contact pressure distribution, the deduce the maximum contact stress formula; we analyze the seal system whether there is medium to research the impact that medium pressure on seal properties; base on the mechanical model, we analyze sealing mechanism of mr, obtain leakage rate model of the seal system, provide a theoretical basis for the application of mr seals. we simplify the samples equivalently, establish a three-dimensional model of the seal system, use ansys to mesh and do finite element analysis on the three-dimensional model, obtain the stress distribution through analysis of fem results, confirm the hypothesis on stress distribution; through comparing the fem results and the contact model of seal system, we verify validity of the contact model, and analyze the reason for discrepancy between simulation results and theoretical result. the content of this thesis is part of the project that supported by the national natural science foundation of china (project no.: 50705016) keywords: metal rubber, mechanics performance parameters, sealing system, leakage rate, simulation analysis 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要. i abstract.ii 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题背景及研究的目的和意义.1 1.2 密封概述.2 1.2.1 密封发展史概述.2 1.2.2 密封材料 .3 1.2.3 密封的分类 .4 1.3 金属橡胶材料发展概述 .4 1.3.1 金属橡胶技术国内外研究现状.5 1.3.2 金属橡胶密封技术的应用 .6 1.4 本课题主要研究内容 .7 第 2 章 金属橡胶力学性能参数研究 .9 2.1 静态试验装置及试件.9 2.2 金属橡胶材料力学性能的实验研究.10 2.2.1 初始变形对金属橡胶材料力学性能的影响.10 2.2.2 泊松比的研究.13 2.2.3 拉压弹性模量研究.15 2.3 金属橡胶材料力学性能参数分析.17 2.3.1 泊松比分析.17 2.3.2 弹性模量分析.19 2.4 本章小结 .22 第 3 章 金属橡胶密封系统模型的建立 .24 3.1 包覆聚四氟乙烯金属橡胶密封环系统 .24 3.1.1 密封件结构的简化.25 3.1.2 机械密封结构.25 3.2 金属橡胶密封件力学模型的建立.26 3.2.1 密封原理研究.26 3.2.2 密封圈基本假设.28 3.2.3 接触力学模型建立.28 - iii - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 3.3 泄漏率研究.33 3.4 金属橡胶密封系统的泄漏率.34 3.4.1 泄漏率的计算.34 3.4.2 密封系统不泄露条件 .35 3.5 本章小结 .36 第 4 章 金属橡胶密封件有限元仿真 .37 4.1 密封面间的接触问题.37 4.2 金属橡胶密封件 ansys 分析中的非线性.39 4.2.1 材料非线性 .39 4.2.2 几何非线性 .40 4.2.3 接触非线性 .40 4.3 ansys 非线性分析能力 .40 4.4 金属橡胶密封件有限元模型的建立.42 4.4.1 在建模过程中需要重视的几个问题 .42 4.4.2 建模中要做的两点假设 .42 4.4.3 设置单元类型和实常数 .42 4.4.4 o 型圈有限元模型的建立.43 4.4.5 接触对的建立.44 4.5 边界条件及加载方法.44 4.6 结果及分析.44 4.7 本章小结.47 结 论 .48 参考文献 .49 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果.53 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.54 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.54 致 谢 .55 个人简历 .56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 本论文研究内容是国家自然科学基金项目（项目号：50705016）的一部分。 美国航天飞机“挑战者号” 因结构密封元件失效，升空后 73s发生爆炸， 7 名宇航员全部遇难， 直接经济损失多达 12 亿美元， 之后美国国家航天局对此做了大量的研究工作，并对o型密封圈进行了改进才满足密封要求1-3。我国火箭也曾出现因密封泄漏而造成卫星不能准确入轨的事故；另据资料统计4， 在国外某型火箭固体发动机出现的 235 个机械故障中，仅结构密封元件失效的故障就占 38 %。从另一个角度看，许多精密的产品和设备处于不洁净的环境中都有可能因周围粉尘杂物流入内部而受损。因此防止泄漏是一项重要的课题，而泄漏历来靠采用密封手段来防止。因此，关键机械部件的密封及其可靠性设计是当今机械设计的一个重要环节之一。 我国航空产品密封问题，多年来一直是飞机设计与使用部门十分重视的问题之一5。这是因为密封装置的性能好坏及寿命长短，直接关系到飞机的可靠性、安全性和可维护性。随着航空科技的不断发展，飞机各系统对密封的要求也越来越高，飞机起落架缓冲装置对密封的要求更高。以往这些密封大部分是有o型橡胶圈来实现的，可o型橡胶密封圈存在其自身的缺陷性，如易老化、不耐高低温、抗腐蚀性差、寿命短等。由于普通橡胶密封圈本身的缺陷，在一些工作环境恶劣且相对重要的密封结构中难完成密封的效果。 金属橡胶技术是解决航空航天环境下阻尼减振、过滤、密封及热传导等疑难问题的关键技术。金属橡胶材料是由不锈钢丝缠绕压制而成，金属橡胶密封件是由金属橡胶弹性体和铜皮或四氟乙烯外包皮组成，由于金属橡胶密封件结构中不含有普通橡胶，不存在老化的问题，所以它特别适合于高低温、大温差及腐蚀环境下的密封需要6。 由于金属橡胶密封件有着广阔的应用背景，而国内外对金属橡胶密封机理的研究相对较少，金属橡胶密封件以往的应用只是建立在大量实验的基础上，没有成形的金属橡胶密封理论为指导。本课题运用理论和试验相结合的方法，研究金属橡胶材料本身的力学性能参数，为研究金属橡胶密封构件的密封性能做理论基础，本课题研究的研究成果为金属橡胶密封件的应用提供理论依据。因此，本课题研究具有重要的理论意义和应用价值。 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 密封概述 密封是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质，如灰尘与水分等侵入机器设备内部的零部件或措施。 1.2.1 密封发展史概述 早在 15 世纪，达芬奇就应用有弹性的材料为当时的提水机制作了“密封件”。这种“密封件”一直沿用到 1700 年左右。那时的提水机内加入了一种皮制的衬垫，即为密封件7。 工业上应用弹塑性材料作为密封件始于 19 世纪。1856 年，一种圆形的、用弹塑性材料做成的圈被应用于蒸汽机上。 类似的密封技术被载入 1886 年的法国专利，并应用到流体泵上。关于此类圆形圈的进一步研究开发应用，是由丹麦的发明家和制造家克利斯登森完成的。 派克公司是世界上最早生产 o 型圈(图 1-1)和带有截面形状的密封圈的公司之一。早在 1947 年，派克公司就通过了美国航空工业种种苛刻的检查，获准为其生产密封件。派克公司在德国的分公司帕蒂法更继承了这种传统，且在开发能力及产品质量方面都有了进一步的发展。当代的带有截面形状的密封件的起源，都可以追溯到弹性橡胶发明之前，那时由麻类植物，动物皮毛及棉花合成的密封材料被统称为 packing，意为有组成的衬垫。在 1930 年，由于传统的液压介质由水改为工业油和其他更加粘稠且润滑性能更好的介质，导致了密封件材料及其截面几何形状的进一步发展。 图 1-1 橡胶密封件 近年来国外相继研究出多种“滑环式组合密封”，并应用于一些新型飞机上，这标志着密封技术已进入了一个新的阶段。滑环式组合密封是由聚四氟乙烯滑环与弹性构件组成的一种新型密封装置8。由于聚四氟乙烯具有极低的摩擦因数与极高的耐磨性，且聚四氟乙烯与金属无粘着性、自润滑性能好，利用- 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 它与活动密封表面相接触，可大幅度提高密封装置的耐磨性。“海豚”直升机所使用的自润滑airflon衬套的主要成分就是聚四氟乙烯。 由于聚四氟乙烯弹性较差不宜单独作密封件，必须与弹性构件一起组成组合式密封装置，这种组合密封装置耐磨耗、工作寿命长且耐温与耐压性能好，特别适用于起落架油气缓冲器的密封。如波音-707 飞机采用的“d”形滑环式组合密封，dc-8 飞机采用的同轴式组合密封，y12 飞机采用的“脚”形滑环组合密封等，这些密封装置都采用了聚四氟乙烯与橡胶的组合。 多年以来，我国为维护某型号进口直升机所需的密封备件一直依赖于从美国进口。但随着该型号直升机服役时间的不断延长，以及受国际形势不断变化的影响，该密封件的进口出现了困难，在一定程度上影响了该机的正常维护和使用。该型号直升机缓冲支柱采用油气分离式设计，因而，必须解决油气分离密封(属动密封)和油腔与外部的密封(属静密封)等密封技术难题， 尤其是主缓冲支柱外筒与活塞之间的密封压力较高，工作一段时间之后油温升高，在这些条件下，用普通橡胶密封圈不能满足密封的要求。现采用聚四氟乙烯包皮内放置金属薄带空心弹性环组合式结构作为密封件。但由于该密封件中金属薄带空心弹性环的制备工艺独特，在国内尚未找到能够生产该产品的生产厂家。前期研究中，以替代进口产品为目的，首次将金属橡胶技术应用于该直升机的主缓冲支柱外筒与活塞之间的密封，与聚四氟乙烯相结合，开发研制了一种适用于航空环境下的新型直角滑环式密封环。 1.2.2 密封材料 密封的可靠性不仅跟密封结构有关， 密封材料的选取对其影响也较大9-11。如橡胶不适合高温和低温的情况下工作，钢铁不适合塑性变形较大的密封等。密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，以及设备的工作条件不同，要求密封材料具有不同的适用性。对密封材料的要求是：材料致密性好，不易泄漏介质；有适当的机械强度和硬度；压缩性和回弹性好，永久性变形小；高温下不软化、不分解，低温下不硬化、不脆裂；抗腐蚀性能好，在酸、碱、油等介质中能长期工作，其体积一硬度变化小，且不粘附在金属表面上；摩擦系数小，耐磨性好；具有与密封面贴全的柔软性；耐老化性好，经久耐用；加工制造方便，价格便宜，取材容易。显然，任何一种材料要完全满足上述要求是不可能的，但具有优异密封性能的材料能够满足上述大部分要求。 现在应用的密封材料12-18已经可以基本满足现代各行业对各类缸体密封- 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的要求。常用的密封材料有金属材料如铝、铅、铟、不锈钢等，非金属材料如橡胶、塑料、陶瓷、石墨等，复合材料如橡胶、石棉板等，但使用最多的是橡胶类弹性体材料。因密封条件的限制，复合材料在密封中的应用越来越广，如金属橡胶可以在大温差、环境条件恶劣的情况下正常工作，而且其寿命长可靠性高，其优越性在航空航天领域中表现的更为突出。 1.2.3 密封的分类 密封可分为静密封和动密封两大类。静密封主要有垫密封、密封胶密封和直接接触密封三大类。根据工作压力，静密封又可分为中低压静密封和高压静密封。中低压静密封常用材质较软宽度较宽的垫密封，高压静密封则用材质较硬接触宽度很窄的金属垫片。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作相对运动的零部件是否接触，可分为接触式密封和非接触式密封；按密封件和接触位置又可分为圆周密封和端面密封，端面密封又称为机械密封。动密封中的离心密封和螺旋密封，是借助机器运转时给介质以动力得到密封，故有时称为动力密封。在静密封和动密封中接触密封应用都非常广泛，尤其在静密封中基本都采用接触密封，这主要是因为接触密封较可靠，若选件适中一般泄漏率很小。密封详细分类如图 1-2。 非金属-金属组合垫密封动密封静密封非接触形动密封接触形动密封全封闭密封磁液体密封浮环密封迷宫密封螺旋密封离心密封油封波纹管填料密封胶密封垫密封涨圆密封机械密封硬填料密封软填料密封成型密封金属密封垫非金属密封垫 图 1-2 密封分类 1.3 金属橡胶材料发展概述 金属橡胶是一种适用面广，效益高，效果好的机械结构材料19-21，因其具- 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 有橡胶的弹性而得名。它是用一定的工艺方法，将一定质量的经过拉伸成螺旋状态的金属丝有序的排放在冲压或碾压模具中，然后用冷冲压方法加工而成。其内部结构是金属丝相互交错勾联形成的类似橡胶高分子结构的空间网状结构，在外力的作用下，金属橡胶将克服金属丝间的干摩擦阻尼而产生变形，外力消除后，在自身弹性力的作用下，将恢复原状。金属橡胶材料的研制成功，不仅扩大了已有金属材料的适用范围22-24，而且解决了某些构件在特殊工作环境中对材料提出的特殊性能要求，它可以满足空间飞行器上的特殊需要，解决高温、高压、高真空、超低温及剧烈振动等环境下的密封、减振、过滤等问题。金属橡胶产品应用广泛，尤其适合于特殊工况下工作的机构，譬如在高温、低温、腐蚀性介质中表现出的优良特性是一般材料所无法比拟的。金属橡胶材料的弹性和毛细多孔结构同其它多孔材料相比，具有不可比拟的优良特性。由金属橡胶制成的密封元件在苛刻条件（超低温、高温、超高真空）下仍然具有十分优良的性能，满足导弹和航天器对密封的特殊要求。由于这种材料有以上许多显而易见的优点，因此它将在各个领域具有广泛的应用前景。 1.3.1 金属橡胶技术国内外研究现状 金属橡胶材料最早出现在美国的军用飞机上， 在上世纪 60 年代， 美国的飞机被原苏联截获，发现了金属橡胶结构件，从此俄罗斯便组织人力、物力投入到该项技术的研究，且这方面研究从未间断。如今，他们的研究水平和成果已处在世界领先水平。其中以俄罗斯萨玛拉国立航空航天大学最为突出，他们在金属橡胶技术领域取得 80 多项专利，发表论文 200 多篇，培养了大批博士、副博士，为金属橡胶技术的发展做出了突出贡献。 俄罗斯用金属橡胶解决了很多航空航天中用其它功能材料难以解决的阻尼、减振、节流等关键问题。例如，俄罗斯的空间载人飞船的返回舱中，许多仪表板就是采用了金属橡胶材料制成的减振器进行减振；在hk89 气体涡轮发动机中液态氮的端面接触密封亦采用了金属橡胶密封环25；在俄罗斯航空发动机上，大量采用了金属橡胶构件，还有苏27 飞机发动机外部管路系统也是均采用金属橡胶隔振卡箍。除俄罗斯外，英、美、德、法等发达国家也有关于金属橡胶技术的研究报道。他们与俄罗斯研制的成型工艺不同，首先将金属丝编织成金属网(而不是卷制成螺旋卷)，然后将金属网进行折叠，最后经冷压成型，这样做能大大提高生产效率，但和俄罗斯研制的金属橡胶材料表现出不同特性。 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 金属橡胶构件在航空航天领域里所具的优越性，引起了我国有关领导和科研机构的科研人员重视，近十年里在金属橡胶基础理论研究、成型工艺研究以及它的实际应用研究都取得了显著成果26-28。哈尔滨工业大学金属橡胶技术研究所是在姜洪源教授领导下，专门从事金属橡胶技术研究与开发的科研机构。在近十年的研究中，该研究所对金属橡胶材料在阻尼减振、节流、吸声降噪等领域的应用进行了深入的研究，部分产品已经替代进口产品，其性能达到了国际先进水平，满足了我国相关行业对金属橡胶构件的需求29-31；北京航空航天大学的朱梓根、邓剑波等研究了金属橡胶的材料特性及用于悬臂梁根部减振和转子支承的阻尼特性及其影响参数；王新、朱梓根研究了用于转子的环形金属橡胶减振器的特性；中国人民解放军军械工程学院的白鸿柏研制某型自行火炮闩体挡杆金属橡胶材料缓冲装置已被应用；兰州 510 所为载人飞船仪表板研制的用于阻尼减振的金属橡胶构件已经成功应用；沈阳 410 厂研制了用于航空发动机管路支撑的金属橡胶构件；航天部一院 11 所研制了 50 吨级液氢液氧补燃发动机涡轮泵转子弹性支撑用金属橡胶构件。利用金属橡胶技术进行阻尼减振已被航空部列入“十五”规划项目中。 1.3.2 金属橡胶密封技术的应用 俄罗斯在金属橡胶密封的研究领域处于世界领先地位。目前，俄罗斯已有近 40 余个专门从事金属橡胶技术研究的院所， 其研究的金属橡胶构件在空间飞行器上的应用获得了巨大成功，在俄罗斯的航空航天发动机上，大量采用了金属橡胶材料制成的密封构件。理论和应用研究都证明, 在特种工况下金属橡胶密封环所表现出的良好密封性能是普通橡胶密封环所无法比拟的32,33。 俄罗斯萨马拉国立航空航天大学的学者对金属橡胶的研究做出了巨大的贡献。研究了金属橡胶材料用在某些类型气液燃料组件的密封装置（例如液氢液氧燃料），主要有用于伴随往复进给运动的接触径向密封、不动结合部密封及闸门减压铠装件的活门密封。这些密封装置带有易变形的工作表面，具有较高的使用性能， 能制造在高温或冷却介质中快速运动的动力机器的高效密封装置。针对带有很大污染的工作介质，开发研制了一种新型的刷式密封件34，在机构中以弹夹和滑阀的集中形式制造它，并且它们的附加元件以螺旋卷金属片段组的形式用弹性密实压制的金属线形成，这些金属片段填充共轭体的密封间隙，在介质压力显著降低，密封零件工作压力小、移动速度高的条件下，该型密封件有很大的可靠性，在使用寿命方面比起传统迷宫式密封件及接触式断口金属- 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 环密封件来有更高的可靠性。 在“世界空间技术”杂志上有关于类似金属橡胶的由金属丝网压制成的减振器在飞机发动机振动减振应用的报导35。美国目前尚无确切资料，但无疑他们是拥有类似技术的，据说u2 飞机上已使用了类似金属橡胶材料减振，但从1986 年美国“挑战者”号航天飞机因其固体火箭发动机密封不良而失事，可见其还未完全掌握用金属橡胶材料应用于密封的技术，之后美国国家航空与宇宙航行局对其进行了大量研究。 由此也可看出金属橡胶技术在密封领域的广阔前景，尤其是在航空航天领域，其作用尤为重要。 对于把金属橡胶材料用于密封装置，我国还处于起步阶段，但是金属橡胶材料在密封方面的广阔前景，较适合于特殊工况下的工作，尤其是在航空航天领域。现在航空飞行器中广泛使用以低温燃料作推进剂的火箭发动机，液体低温燃料在燃烧室内燃烧加压，供给涡轮泵，泵轴的最终密封允许有一定的泄漏排到排流器中。随着密封技术的发展，钢被广泛应用在端面密封中，其允许滑移速度超过 100 米/秒。当温度在-40+120之间，可采用橡胶作为密封件，但当温度超过这个范围，橡胶将失去弹性。萨航制造出金属橡胶密封环结构，这种结构已经成功地应用在液氮的端面接触密封中36。这种密封件现已经用于hk89 气体涡轮发动机中。它是将金属橡胶放于聚四氟乙烯的壳体内，金属橡胶良好的弹性、较低的摩擦系数以及聚四氟乙烯外壳持久的弹性使这种密封环被广泛地应用在低温液体火箭发动机和气体涡轮发动机的接触式密封中，它的承载直径从 25mm到 100mm。比如对于直径为 33.2mm，截面直径为 3.1mm的金属橡胶密封环，它的承载压力可达 30mpa。 在俄罗斯的航空发动机中，动叶与机匣之间的密封有很多种，现在，密封效果最好的是蜂窝式密封结构。该结构可以改善气流方向，提高效率、降低油耗。由于金属橡胶构件具有多孔性，其密封性能与蜂窝式结构十分相似，密封效果十分理想，俄罗斯对此有成功的经验。 1.4 本课题主要研究内容 本课题主旨在于揭示金属橡胶材料的密封机理，以满足航空航天中对金属橡胶密封件的实际需求为目的，为金属橡胶密封的应用提供理论基础，对金属橡胶材料本身的力学性能及密封理论做了深入的研究。 1、制作不同相对密度的金属橡胶试样，并对试样进行实验研究，实验结果为金属橡胶材料的力学性能参数确定做理论基础。 2、 根据金属橡胶材料的力学性能参数， 对金属橡胶密封系统进行合理的简- 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 化，建立密封系统的接触模型，导出最大接触应力的计算公式。 3、建立金属橡胶密封系统的泄漏率模型，分析泄漏率的影响因素，为金属橡胶密封的应用做理论基础。 4、对金属橡胶密封系统进行简化，应用 ansys 软件对密封系统做有限元仿真，对仿真结果进行分析研究，仿真结果与接触力学模型进行对比研究，验证金属橡胶密封系统接触力学模型的正确性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 金属橡胶力学性能参数研究 金属橡胶材料是一种均质的弹性多孔介质，其内部结构是金属丝相互交错勾联形成的类似橡胶高分子结构的空间网状结构，其特殊的内部结构使它具有特殊的力学性能，其力学性能参数也与常规物质有着很大的差别。描述物质的力学性能参数主要有：弹性模量、泊松比、摩擦系数、拉压强度、硬度、伸长率等。本章主要通过实验研究金属橡胶材料的弹性模量和泊松比，这是因为在研究金属橡胶密封系统时，金属橡胶材料的弹性模量和泊松比是建立密封系统的接触模型所必需的。 2.1 静态试验装置及试件 静态试验采用桂林瑞特试验机有限公司生产的 tcd-c 微机数控弹簧试验机，如图 2-1 所示。该试验采用的力传感器量程为 05000n，力值的示值精度为0.5%n，位移分辨率为 0.01mm，加载方式为数控电机自动往复加载，试验测得数据可以自动保存。 静态往复加载试验中，金属橡胶隔振器通过连接件放置于试验机平台与运动部件之间，以实现金属橡胶隔振器的受压及受拉试验。数控弹簧试验机通过软件设置试验参数，可以按照预定的位移幅值、运动方向及速度，进行上下往复拉压试验。通过此试验机计算机软件采集的静态试验数据能够直接输出，从而对金属橡胶隔振器的静态性能进行分析。 图 2-1 静态试验台 金属橡胶材料的力学性能影响参数较多，主要有金属丝直径、金属丝材料- 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 和金属橡胶材料的相对密度，金属橡胶构件的结构形状对其力学性能的影响也较大，而金属橡胶构件具有多样性，这就决定了金属橡胶材料力学性能的多样性。 为了研究金属橡胶材料的力学性能我们必须针对特定结构的金属橡胶构件，针对一定材料和金属丝直径制作的金属橡胶构件。为了对比，可以选用不同相对密度的金属橡胶构件，通过实验得出此种结构的金属橡胶构件的力学性能参数，与此类似的金属橡胶构件的力学性能参数可以其为参考。 图 2-2 为实验用的金属橡胶试样。其具体参数如下：研究试样是边长为mm 的立方体结构，其相对密度为： 25/mr，为金属丝的密度，mr为金属橡胶的绝对密度，试样的相对密度为0.18和0.25两种，制作金属橡胶材料的金属丝直径为mm。 1 . 0wd为了便于分析，建立了如图2-3所示的坐标系，其中，以构件的一个顶点为坐标原点，三条棱为空间坐标系的三个坐标轴， x轴方向为成型压力的反方向，x、y、z组成空间右手坐标系。 图2-2 实验试样 图2-3 实验坐标系 2.2 金属橡胶材料力学性能的实验研究 金属橡胶材料虽说已有半个世纪的历史，但由于其结构的不规则性、成型参数的多样性，导致对金属橡胶技术工作机理的认识尚不够清晰，对其力学性能参数的研究还不够成熟，还没有准确的理论公式来推导其力学性能参数，由于实验研究的直观性、可信性，国内外对金属橡胶材料所做的研究大都建立在实验基础上的，在此我们也用实验来研究金属橡胶的力学性能参数。 2.2.1 初始变形对金属橡胶材料力学性能的影响 金属橡胶材料与普通橡胶有着类似的力学性能特点，在实际应用中它主要- 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 作为弹性元件来完成其功效的。但金属橡胶经过弹性变形之后其内部结构和力学性能会发生变化。对于最大初始应变max不同的金属橡胶构件，相同的应变对应的加载应力是不同的。用04. 0表示最大初始应力对金属橡胶构件性能影响大小的参数，其表达式如下： ba04. 0 (2-1) 式中 a04. 0max，实际应变04. 0时的加载应力值(mpa)； b04. 0max，实际应变04. 0时的加载应力值(mpa)。 由b含义可知，对于确定的金属橡胶试样b是不变的，其值只与金属橡胶试样本身的参数有关；而a的值是变化的，其值随着最大初始应变的变化而变化。 对于相对密度为25. 0和18. 0，边长为25mm的立方体金属橡胶试验件，我们测出了不同最大初始应变下04. 0的值，如图2-4所示。由公式（2-1）及图2-4可知，当04. 0max时104. 0。 由图2-4可知，在较大初始应变的情况下金属橡胶材料沿x轴方向曲线较为稳定。因此，金属橡胶构件有一个较稳定的工作方向，即成型压力方向。沿该方向的稳定性是建立在最大初应变max是工作应变的510倍基础上的，04若. 0，则应有2 . 0max。 图 2-4 不同max下的04. 0曲线图 对于金属橡胶材料沿y轴方向的性能是随着max的增加而变化的。为了使金属橡胶材料稳定， 沿y轴方向的初始应变应为工作应变的510倍。 由于金属橡- 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 37，所以目前的研究中要求max2 . 0y胶材料的工作应变015.，由此初始应变可满足工作实际的需求。 一般要求金属橡胶构件沿x轴方向的工作应力应满足：pressx15. 0， press为金属橡胶试样成型压应力，对于冲击载荷应满足pressx3 . 0。对于y轴方向的应力，由于它的变化是可逆的，对其可不做深入的研究，一般要求pressy04. 0。 作为弹性体的金属橡胶材料有着宽大的弹性迟滞特性曲线。用024. 0来表示最大初始应变对金属橡胶迟滞特性的影响，其表达式为： 21024. 0 （2-2） 式中 104. 0max，实际应变024. 0时的加卸载应力差值(mpa)； 204. 0max，实际应变024. 0时的加卸载应力差值(mpa)。 图2-4表示不同最大初始应变下的024. 0曲线图，从图中可以看出随着最大初始应变的增加024. 0值在1附近变化很小，可得出最大初始应变与金属橡胶试样的迟滞特性是相互独立的。由公式(2-2)可知，当04. 0max时，1024. 0与图2-5相符。 图 2-5 不同max下的024. 0曲线图 图2-4表明：初始应变对金属橡胶材料的刚度影响较大，而对其内摩擦力的影响较小；而在研究金属橡胶材料的动态性能时必须考虑内摩擦力的影响，所以最大使初始应变发生变化我们也可以设金属橡胶材料的内摩擦力为定值，但其刚度是变化的。 - 12 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.2.2 泊松比的研究 横向应变与纵向应变之比值称为泊松比，也叫横向变形系数，它是反映材料纵向弹性应变对横向弹性应变影响常数。泊松比有主次泊松比之分，主泊松比， 指的是在单轴作用下，x方向的单位拉(或压)应变所引起的y方向的压(或拉)应变，次泊松比nu它代表了与pr正交方向的泊松比，指的是在单轴作用下，y方向的单位拉(或压)应变所引起的x方向的压(或拉)应变。与的关系为： xyprxynuxy，成xyxypryxxyxyeenupr (2-3) 式中 xe沿x轴方向的弹性模量(mpa)；ye沿y轴方向的弹性模量(mpa)。对于正交各向异性材料，需要根据材料数据分别输入主次泊松比，但是对于各向同性材料来说，选择或来输入泊松比是没有任何区别的，只要输入其中一个即可。 xyprxynu而金属橡胶是各项异性的材料，其主次泊松比是不同的；由于金属橡胶本身的结构特点其纵横向应变关系都是非线性的，所以金属橡胶的主次泊松比也是变化的。只要求出金属橡胶材料的主泊松比，由式（2-3）我们可以得到金属橡胶的次泊松比。 泊松比系数yx表示沿x轴方向施加力而影响y轴方向的应变量，即：xyyx，x方向是金属橡胶的成型压力方向，由金属橡胶的制作特点可知在工作范围内yx值较小， 由实验可知： 对于工作范围为16. 0时，03. 0yx。yx与x之间的关系为： xyx2 . 0 (2-4) 由于试样的对称性，泊松比系数zx与yx是类似的。由于zx和yx都较小，一般在工作时可将其近似为零。在x轴方向施加力或位移时，对于加载面是固定的样件和加载面两端都自由状态的样件是等价的。 图2-6 表示y轴方向压缩时x、z方向的应变迟滞回线。由图2-6可看出金属橡胶沿y轴方向压缩时，x、z方向的应变迟滞回线较宽。图2-6中沿y轴方向的应变迟滞回线是通过实验得到的，由实验数据可以通过重新建立xy坐- 13 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 标系，做出x关于y的曲线，通过线性拟合可得到方程： bayx (2-5) 式中 a 金属橡胶材料的泊松比xy；b 残余应变； 加、卸载状态。 坐标系，同样的方法可得到泊松比zy。 同理可建立zy 图 2-6 y 轴方向压缩时 xz 方向的应变迟滞回线 对于处于自由状态的金属橡胶试样施加压力，其自由面的泊松比和残余应力的大小取决于金属橡胶应变的幅值和它本身的相对密度，由图2-6中的实验数据及二次拟合可得到式(2-6)、(2-7)。 yyyx)1 . 317( (2-6) yyyz)46. 05 . 8( (2-7) 由于金属橡胶试样的对称性，泊松比xz与xy相似，其表达式可表示为： zzzx)1 . 317( (2-8) 对于一端固定的金属橡胶件施加压力，由于其加载面形状不能发生畸变，因此自由面的应变较大。 所以一端固定的金属橡胶试样和自由状态的金属橡胶试件的泊松比是不同的。由实验可得一端固定的金属橡胶件应变关系如下： )035. 0075. 0(66. 0yx (2-9) )014. 0033. 0(3 . 0yz (2-10) 因此66. 0 xy，3 . 0zy。 - 14 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 同理可得到xz和yz。 对于金属橡胶拉伸时，沿垂直拉力方向的应力为零，故此时的泊松比也为零。 2.2.3 拉压弹性模量研究 弹性模量e是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。 一般材料在拉伸和压缩时弹性模量是不变的， 而金属橡胶材料是多孔介质，在变形时由于内摩擦力的存在，对其拉伸和压缩时其弹性模量发生变化。 由于金属橡胶的内部结构是由金属丝相互交错勾联形成的类似橡胶高分子结构的空间网状结构，在外力的作用下，金属橡胶将克服金属丝间的干摩擦阻尼而产生变形，外力消除后，在自身弹性力的作用下，将恢复原状，故金属橡胶件在拉伸和压缩时，金属橡胶的弹性迟滞曲线表现出高度的非线性，其弹性迟滞曲线如图2-5所示，本文中描述的应力曲线在是弹性力和摩擦力的综合作用下的应力曲线。 金属橡胶件在拉伸和压缩时的应力可表示为： hl (2-11) 式中 金属橡胶件所受拉、压应力(mpa)；l金属橡胶件所受弹性应力(mpa)； h金属橡胶件内摩擦力(mpa)。 若实验中测得的加载应力为1， 卸载应力为2， 可得到弹性应力的表达式： 221l (2-12) 内摩擦力的表达式为： 221h (2-13) 在实验中金属橡胶构件的应变范围为：7 . 0 ;7 . 0maxmin，max金属橡胶件能承受的应变的最大值，在此应变范围内测出加、卸载应力1、2，然后导出弹性应力和内摩擦力。针对试样，在x轴方向此应变范围是： 24. 0 ;06. 0 x，- 15 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 由于试样的对称性y、z方向的应变范围相同且都为：16. 0 ;06. 0，由实验数据及(2-12)、(2-13)两式可得出金属橡胶相对密度为18. 0时沿x、y轴方向的弹性、摩擦应力曲线，即图2-7。 由金属橡胶材料的内部结构可知，内摩擦应力的大小与金属橡胶本身的相对密度有关，其中在x轴方向上内摩擦力与相对密度成线性关系，此时与金属橡胶受剪切时类似，在y、z轴方向上内摩擦力的大小与金属橡胶材料的相对密度的1.7次方成比例。 a) 沿 x 轴方向 b) 沿 y 轴方向 图 2-7 相对密度为 0.18 时沿 x、y 轴方向的弹性和摩擦曲线 内摩擦应力与应变的关系式： 18. 0)71. 7069. 0231. 0018. 0(32xxxhx (2-14) 7 . 13218. 0)8 .1651. 682. 0060. 0(yyyhy (2-15) 由于金属橡胶试样是对称的，hz与hy大小相同，可用类似的方法得到hz。 与内摩擦力确定方法相似，通过四次曲线拟合可得到金属橡胶构件所受的弹性应力和应变之间的关系。在x轴方向上弹性应力和相对密度之间的关系与制作金属橡胶时的压应力相类似(与7 . 1成正比关系)，在y、z轴方向弹性应力与相对密度的次方成正比关系。 2弹性应力与应变的关系式： 7 . 13218. 0)1604 .2077. 161. 0(xxxxlx (2-16) - 16 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 23218. 0)6321392 .1469. 2(yyyyly (2-17) 由于金属橡胶试样的对称性，lz与ly大小相同， 可用类似的方法得到lz。 2.3 金属橡胶材料力学性能参数分析 金属橡胶材料其本身的结构与一般的弹性材料具有很大的差异，故其力学性能参数也表现出极大的差异，如：其弹性模量、泊松比不但具有方向性，还表现出极大的非线性。 2.3.1 泊松比分析 金属橡胶材料的制作工艺可知其泊松比具有方向性，沿各轴方向的泊松比的大小是不同的。 由式(2-4)可知，金属橡胶材料的泊松比zx与yx都较小，这是由于x轴方向是金属橡胶的成型压力的方向，在制作金属橡胶构件时其y、z轴方向的自由度都被限制，故其在y、z轴方向的变形较小。在x轴施加压力时产生x轴方向的应变而影响y、z轴方向的应变较小。 由于金属橡胶材料一般工作的应变较小，而泊松比zx与yx与应变成正比，比例系数也较小，我们在进行简化计算时可令它们都为零。 对于样件，在y轴方向上施加压力时，x、z轴方向都会产生应变，此应变的大小可由泊松比xy、zy表示。由(2-8)式可得 )1 . 317(yyxy (2-18) 图2-8为相对密度为0.18和0.25时的金属橡胶试样沿xy方向的泊松比，由于金属橡胶材料具有迟滞特性，其加载和卸载时的泊松比是不同的。图中2、4两条直线是加载时的泊松比曲线，1/3两条直线是卸载时的泊松比曲线。由式(2-18)可知xy与相对密度成正比，且相对密度越大迟滞特性越显著，加、卸载的泊松比差值越大。 由方程(2-7)式可得： )46. 05 . 8(yyzy (2-19) 相对密度18. 0和25. 0的金属橡胶试样沿zy方向的泊松比如图2-9所示。与xy具有相似性，这是由金属橡胶本身的结构特点决定的，只是不同方向的迟滞特性有所差异。比较图2-8与图2-9可知，无论加载还是卸载时， - 17 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 zyxy2，而且此时加卸载泊松比差较小。 18. 025. 025. 018. 0泊松比xyy 图 2-8 18. 0和25. 0试样的泊松比xy 图2-8、2-9产生差异的原因是：x轴方向是金属橡胶成型方向，x轴方向的弹性变形范围较大，故试样沿y轴方施加力时沿x轴方向变形量较大；z轴方向和y轴方向是类似的，这是由于试样是完全对称的，yzzyv，由于压制金属橡胶构件时毛坯在y、z方向的自由度受到了限制，故y、z方向的允许变形 较小，故当试样沿y方向