W形金属密封环工作状态下的力学状态与回弹性能研究

弹性金属密封技术是近年来发展迅速的新型密封技术，相较于传统的静密封装置，弹性金属密封装置能更好地适应高温、高压等严苛的工作条件，在航空发动机制造这一领域有着得天独厚的优势。弹性金属密封技术是由美国的洛克达因公司和多家研究机构研制成功的，它利用软金属的塑形变形完成密封工作，具有回弹率高以及自紧性能好，且不需要很强的预紧力也能达到良好密封效果的诸多优点[1-2]。弹性金属密封技术可以说是为航空航天技术而生的，在国外已经有50余年的发展历史[3-4]，由于产品性能优良，该技术也广泛应用于核工业、医疗、化工等行业。美国、日本、英国在弹性金属密封的研究上处于世界领先地位，并对中国实行了一定程度的技术封锁。

弹性金属密封环依据截面形状可以分为O形环、W形环、C形环等等，截面形状的不同导致它们的性能也各有不同[5-6]。C形与W形环结构上具有朝向压力侧的开口，具有良好的自紧性能[7]。W形环在各类弹性金属密封中以压缩回弹性能优异著称。 W形金属密封环是一种新型自紧式密封环，不仅能够适应高温、高压的工况，而且拥有优异的回弹性能与振动追随性能。

国内外关于W形金属密封环的公开报导资料比较少。国外研究起步早，Jet Seal等公司已推出W形金属密封环产品，但对我国实行了技术封锁。国内的研究起步稍晚，龚雪婷等[8]利用ANSYS分析了W形金属密封环的弹塑性接触情况，索双富和王晨希等[9-10]对W形环的轴向刚度进行了研究，运用ANSYS计算了W形环的受力情况，并对其密封性能与回弹性能进行了初步分析。本文作者在此基础上，基于大量的ANSYS算例，对W形金属密封环的力学性能与回弹性能做了系统性的研究。

1 W形金属密封环的有限元计算模型

如图1所示，W形金属密封环安装在上下法兰之间。螺栓提供预紧力，W形金属密封环与上下法兰接触，阻断内部流体向外泄漏。

图1 W形密封环安装截面结构图
Fig 1 The structure assemble of the metallic W-ring

图2是W形密封环的结构示意图，表1给出了W形密封环的初始结构参数。W形环由2部分组成，一部分是高温合金机体，弹性高稳定性强；另一部分是表面的软金属镀层，镀层与上下法兰接触，填补泄漏通道从而起到密封的效果。文中主要研究W形环的力学性能与压缩回弹性能，与镀层金属无关，故在模型中简化掉镀层。

图2 W形密封环的结构示意图
Fig 2 Structure of metallic W-ring 表1 W形环的初始结构参数
Table 1 The original section structure parameters of the metallic W-ring

mm

W形密封环的材料选用镍基高温合金GH4169，GH4169在700 ℃以下的高温环境中有着非常优秀的综合性能，650 ℃温度下屈服极限σ0.2在普通高温合金中位居前列[9]。因此，GH4169被广泛应用于航天、化工、核能工业中的关键零部件材料。表2给出了GH4169的相关参数。

表2 GH4169力学性能参数
Table 2 The mechanical property parameters of GH4169

关于W形环的计算模型简化，索双富和王晨希等[9-10]已经进行了较为详细的论述。采用轴对称的方式建立有限元计算模型并将上下法兰处理为纯钢体。分析单元类型选为PLANE182单元，密封环与上下法兰接触对选为CONTACT172单元。

不同于此前国内的研究，本文作者利用ANSYS多次模拟了W形环加载卸载的全过程，对于W形环在不同工作情况下的静力学状态及其在整个加载卸载过程中的回弹性能进行了研究，并探究了W形环几何结构的改变对于其力学状态和回弹性能的影响。W形环在航空发动机中工作面临着严酷的高温、高压、强震动的环境，其力学可靠性与回弹性能(振动追随性)至关重要。

2 W形金属密封环工作状态下的静力学状态分析

在W形环的工作过程中，金属密封环的应力分布、金属密封环与上下法兰的接触应力是衡量密封环工作可靠性的重要标准。W密封环的力学状态与工作环境(温度、介质压力)、预紧压缩量、自身几何结构有关。在W形密封环轴向刚度的研究中王晨希等[10]发现了波峰、波谷半径对于W形密封环的轴向刚度影响不大，并据此做出了波峰、波谷半径对力学状态、回弹性能影响不显著的预判。在进行了多组计算之后，结果确实如此。因此，在其后对W形环力学状态、回弹性能的影响因素讨论中，只对工作温度、介质压力、压缩量、W形环壁厚、W形环波高等影响显著的因素进行分析。

2.1 壁厚

图3示出了在温度20 ℃、介质压力1 MPa的工作条件下，对波高2.15 mm的W形环施加1.2 mm的压缩量的条件下得到的其力学状态与壁厚的关系。图4为对应壁厚W形环的塑形区域变化图。图中浅灰色区域为产生塑形变形的区域。可以看出，自壁厚大于0.25 mm开始W形环开始出现塑形变形区域，主要出现在波谷底部。随着壁厚的增加，W形环塑性变形区域扩大蔓延，W形环与法兰的最大接触应力也平稳增大。壁厚越大密封性能越好，但其最大Von Mises应力增加越来越快，塑形区域增多，危险区域变多。

图3 介质压力1 MPa、温度20 ℃、1.2 mm压缩量下不同 壁厚W形环的最大Von Mises应力、最大接触应力
Fig 3 Maximum Von Mises stress and contact stress of the W-ring with different wave thickness at pressure of 1 MPa,tempe- rature of 20 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

图4 介质压力1 MPa、温度20 ℃、1.2 mm压缩量下不同 壁厚W形环的塑形变形区域
Fig 4 The plastic deformation zone of the W-ring with different wall thickness at pressure of 1 MPa,temperature of 20 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

2.2 波高

图5示出了在温度20 ℃、介质压力1 MPa、压缩量1.2 mm的工作条件下，壁厚为0.3 mm的W形环力学状态与波高的关系，图6是对应波高的W形环的塑形区域变形图。从图5中可以直观看出，随着波高的增加，W形环的最大Von Mises应力下降，且下降速度越来越慢，W形环不易局部失稳。图6中则反映出在波高较小时，W形环波谷底部有较大塑形变形区域，而当波高增大时，此区域面积迅速减少，到波高为2.6 mm时基本消失。增加波高有利于减少W形环的塑性变形区域从而提高其工作安全性。但图5也反映出随着波高增长，最大接触应力平稳下降，密封性能下降。

图5 介质压力1 MPa、温度20 ℃、1.2 mm压缩量下不同 波高W形环的最大Von Mises应力、最大接触应力
Fig 5 Maximum Von Mises stress and contact stress of the W-ring with different wave height at pressure of 1 MPa,tempera- ture of 20 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

图6 介质压力1 MPa、温度20 ℃、1.2 mm压缩量下不同 波高W形环的塑性变形区域
Fig 6 The plastic deformation zone of the W-ring with different wave height at pressure of 1 MPa,temperature of 20 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

2.3 压缩量

图7示出了在温度650 ℃、介质压力3 MPa的工作条件下，壁厚0.3 mm、波高2.15 mm的W形环的预紧压缩量与其静力学状态的关系，图8给出了对应的压缩量对W形环塑性变形区域的影响。随着压缩量的增加，最大接触应力平稳增加，而最大Von Mises应力则是先快速增加再趋于平缓。这是因为当压缩量增加到一定程度后，最大应力不会再有显著提高，但承受压力的区域会逐渐增多，这一时期W形环的内部结构会从局部有较大的应力变为局部区域承受较大应力。如图8所示，当压缩量大于1.0 mm时W形环开始出现塑形变形区域，随着压缩量增大塑性变形区域开始向两侧蔓延。与壁厚、波高的影响不同，压缩量的增大使W形环的波谷抬升区发生了塑形变形，而不是波谷底部。

图7 介质压力3 MPa、温度650 ℃时W形环压缩 量与最大Von Mises应力、最大接触应力的关系
Fig 7 Variation ofmaximum Von Mises stress and contact stress of the W-ring with compression displacement at pressure of 3 MPa and temperature of 650 ℃

图8 介质压力3 MPa、温度650 ℃时不同压缩 量的W形环的塑形变形区域
Fig 8 The plastic deformation zone of the W-ring with different compression displacement at pressure of 3 MPa and temperature of 650 ℃

2.4 介质压力

图9示出了在温度650 ℃、压缩量1.2 mm的工作条件下，壁厚0.3 mm、波高2.15 mm的W形环的工作介质压力与其力学状态的关系，图10是对应的不同介质压力下W形环的塑性变形区域分布图。可以看出，相较于其他几个影响因素，介质压力的增大并不会给W形环的最大Von Mises压力与最大接触应力带来很大的改变。如图10所示，随着介质压力增大，W形环的塑形变形区域逐渐缩小，塑性变形主要出现在波谷底部。但当介质压力过大，如超过3 MPa时，塑形变形区域又有所增加。由此可以得知，当介质压力在3 MPa以内时，W形环的稳定性随介质压力增大而增大，介质压力超过3 MPa后会对其稳定性产生影响。

图9 温度650 ℃、压缩量1.2 mm时不同介质压力下W形环 的最大Von Mises应力、最大接触应力
Fig 9 Maximum Von Mises stress and contact stress of the W-ring under different pressure at temperature of 650 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

图10 温度650 ℃、压缩量1.2 mm时不同介质 压力下W形环的塑形变形区域
Fig 10 The plastic deformation zone of the W-ring under different pressure at temperature of 650 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

2.5 温度

图11示出了介质压力1 MPa、1.2 mm压缩量的工作条件下，壁厚0.3 mm、波高2.15 mm的W形环力学状态与温度的关系。图12给出了不同介质压力下，W形环在20 ℃与650 ℃下的塑形区域分布对比。如图11所示，随着温度增高，最大Von Mises应力下降，最大接触应力下降。这表明，在高温的工作状态下，相较于常温状态，W形环会更不易产生局部失稳，但它的密封性能会有所下降。如图12所示，W形环在高温状态下塑形变形区域更小。

图11 介质压力1 MPa、1.2 mm压缩量时W形环不同 温度下的最大Von Mises应力、最大接触应力
Fig 11 Maximum Von Mises stress and contact stress of the W-ring under different temperature at pressure of 1 MPa and compression displacement of 1.2 mm

图12 压缩量1.2 mm时不同压力和温度下W形环的 塑形变形区域
Fig 12 The plastic deformation zone of the W-ring under different pressure and temperature at compression displacement of 1.2 mm

3 W形金属密封环的回弹性能影响因素分析

3.1 壁厚

图13示出了介质压力0、温度20 ℃、压缩量1.2 mm工况下，波高2.15 mm的W形环回弹率与壁厚之间的关系。壁厚对于W形环的影响比较大，在仿真结果中可以将其回弹率降低到60%左右。随着壁厚增加，回弹率减小。对比不同壁厚W形环的静力学状态，可知壁厚大于0.3 mm时回弹率低，应力大，不是W形环性能优良的区间。

图13 温度20 ℃、压缩量1.2 mm时W形环壁厚与 回弹率的关系
Fig 13 Variation of compression recovery rate with wave thickness at temperature of 20 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

3.2 波高

图14示出了介质压力0、温度20 ℃、压缩量1.2 mm工况下，壁厚0.3 mm的W形环回弹率与波高之间的关系。随着波高增大，W形环的回弹率增加。对比不同波高W形环的力学状态，可以看出，波高增大塑形变形区减少，最大接触应力下降也不是很快。所以在优化设计的工作中，如果期望增加W形环回弹率时，可以考虑尝试适当增加其波高。

图14 温度20 ℃、压缩量1.2 mm时W形环波高 与回弹率的关系
Fig 14 Variation of compression recovery rate with wave height at temperature of 20 ℃ and compression displacement of 1.2 mm

3.3 介质压力

图15示出了温度20 ℃、压缩量0.6 mm工况下，壁厚0.3 mm、波高2.15 mm W形环回弹率与介质压力的关系。随着介质压力的增加，W形环的回弹率升高，这与其自紧性能相符。当介质压力大于2 MPa时，W形环的回弹率接近100%，并且高介质压力没有带来更高的最大应力，其在高介质压力下的表现非常优良。

图15 温度20 ℃、压缩量0.6 mm时W形环回弹率随 介质压力的变化
Fig 15 Variation of compression recovery rate with pressure at temperature of 20 ℃ and compression displacement of 0.6 mm

3.4 压缩量

图16示出了介质压力0、温度20 ℃工况下，壁厚0.3 mm、波高2.15 mm W形环回弹率与压缩量的关系。随着压缩量增加，W形环回弹率下降，图像整体可以分为3个部分。当压缩量小于0.6 mm时，W形环回弹率接近100%，回弹性能优良。当压缩量处于0.6～0.86 mm之间时，压缩量下降，但下降速度并不是很快。当压缩量处于0.6～1.2 mm之间时，压缩量下降速度最快。结合压缩量对力学状态的影响，可以看出当压缩量大于0.6 mm之后，W形环的最大应力会很快提升，同时回弹率下降加快，其稳定性和回弹性能较压缩量较小时会有明显下滑。

图16 压缩量-回弹率
Fig 16 Compression displacement and compression recovery rate

4 结论与展望

(1)在计算范围内，壁厚和压缩量的增加使最大接触应力平稳增大，密封性能提高，波高和温度的增加使最大接触应力下降，密封性能下降；壁厚和压缩量的增加使回弹率降低，波高与介质压力的增加使回弹率升高。

(2)基于现阶段得出的W形环回弹性能与静力学状态的变化规律，下一步可以进行W形环的优化设计工作。