[发明专利]R型活门座氟塑料密封环宽度的有限元计算方法及系统

说明书

本发明公开了一种R型活门座氟塑料密封环宽度的有限元计算方法及系统，涉及航天阀门技术领域，包括基于仿真软件ABAQUS进行密封副的建模，并定义建模中各部件间接触的相互作用；对密封副的边界条件进行设置，并在金属阀芯块的上端面施加压力载荷；采用迭代法对活门座和阀芯组件关闭状态进行非线性分析；对活门座与氟塑料阀芯块的接触应力进行分析，得到密封带宽度。本发明能够比较准确地计算氟塑料阀芯块受活门座挤压形成的密封副宽度，进而预测密封性能。

技术领域

本发明涉及航天阀门技术领域，具体涉及一种R型活门座氟塑料密封环宽度的有限元计算方法及系统。

背景技术

阀门是液体火箭发动机重要的执行部件，在整个火箭发动机系统中对流体进行调节和控制。阀芯阀座密封结构多种多样，其中R型金属活门座和氟塑料阀芯组件组成的硬-软密封副结构在航天阀门中存在广泛应用。氟塑料阀芯组件结构为将氟塑料镶嵌入金属阀芯内。

在保证可靠的活门密封中，有多种因素起作用，其中金属R型面与氟塑料平面配合的相互作用，即通常所说的密封比压起关键作用。保证密封的必要条件是密封比压大于入口介质压力。密封比压是密封作用力与密封环面积之比，而密封环面积与密封环宽度相关。目前，获取密封环宽度有以下两种方法：

1)将密封副接触宽度简化成活门座刃口直径；该方法计算结果其实是密封环宽度的最大值，这样，计算得到的密封比压最小，因此设计留有较大的密封设计裕度，但阀门所需关闭作用力大，导致阀门结构笨重；

2)根据赫兹接触理论公式计算接触宽度即为密封环宽度，接触宽度与密封力、密封面直径以及两种接触材料弹性模量、泊松比有关，该方法仅考虑了材料的弹性参数，而实际氟塑料应力应变曲线无明显金属材料那样的弹性阶段；且该方法未考虑氟塑料特定结构参数(厚度、宽度)影响，使得该方法准确度较低。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种R型活门座氟塑料密封环宽度的有限元计算方法及系统，能够比较准确地计算氟塑料阀芯块受活门座挤压形成的密封副宽度，进而预测密封性能。

为达到以上目的，本发明提供的一种R型活门座氟塑料密封环宽度的有限元计算方法，具体包括以下步骤：

基于仿真软件ABAQUS进行密封副的建模，并定义建模中各部件间接触的相互作用；

对密封副的边界条件进行设置，并在金属阀芯块的上端面施加压力载荷；

采用迭代法对活门座和阀芯组件关闭状态进行非线性分析；

对活门座与氟塑料阀芯块的接触应力进行分析，得到密封带宽度。

在上述技术方案的基础上，所述基于仿真软件ABAQUS进行密封副的建模，具体步骤包括：

基于活门座的几何形状建立二维轴对称线体模型，基于阀芯组件的几何形状建立二维轴对称面体模型，并将活门座和阀芯金属部分设置为离散刚体；

对建模中的各部件划分网格；

设置关闭状态下氟塑料阀芯块受到介质压力和弹簧力后呈压缩状态，将氟塑料压缩试验数据赋予氟塑料阀芯块，采用各向同性双线性等向强化模型和Von Mises屈服准则。

在上述技术方案的基础上，所述阀芯组件包括金属阀芯块和氟塑料阀芯块。

在上述技术方案的基础上，所述对建模中的各部件划分网格，其中，对阀芯组件的氟塑料阀芯块，使用一阶、轴对称的杂交实体单元，并对氟塑料阀芯块靠近活门座的区域进行网格加密。

在上述技术方案的基础上，所述定义建模中各部件间接触的相互作用，具体包括：

定义金属阀芯块与氟塑料阀芯块之间的接触为绑定状态，金属阀芯块面向氟塑料阀芯块的侧面为主面，氟塑料阀芯块面向金属环阀芯块的侧面为从面；