基于ABAQUS的非石棉垫片密封结构的仿真分析

0 引言

发动机的密封性能是衡量发动机性能和可靠性的一项重要指标。石棉是具有高强度、耐化学及热侵蚀等特性的天然纤维状硅酸盐矿物总称[1]，曾是密封领域产量最大、应用最广的非金属材料。但是大量研究证明石棉具有生物活性及很强致癌作用。所以石棉和石棉制品已被禁止或限制使用。20世纪后期，逐渐发展成熟的非石棉垫片可以在广泛的范围内替代传统石棉橡胶板密封垫片[2]。在发动机的密封结构中，广泛应用着非石棉密封垫片。

随着CAE技术和计算机硬件水平的不断发展，结构有限元分析技术也越来越多地应用于发动机分析计算中[3]。如何通过CAE技术对发动机的密封结构进行模拟计算，评估密封结构的密封性能也成为越来越多的发动机设计者所关注的问题。目前，使用结构有限元分析技术对金属垫片的密封性研究较多，而对于使用非石棉垫片的密封结构研究相对较少。朱晓玲[4]运用Abaqus分析了某型号发动机气缸金属垫片在不同工况下的压力分布情况。韩奎超、许自顺[5]等利用有限元法分析了缸盖和排气管之间的多层复合垫片的接触应力分布。文章以HyperMesh作为前处理工具，以Abaqus作为求解器，计算了某发动机空压机盖板与齿轮室盖的非石棉垫片密封结构的密封性能，并基于仿真结果提出优化方案，在设计初期对所设计的结构进行可靠性评估以及结构优化，为设计者提供参考和依据，缩短了设计周期，降低了设计成本。

1 有限元模型

1.1 有限元模型建立

利用前处理软件HyperMesh导入齿轮室、齿轮室盖、空压机盖板、密封垫片的三维STEP模型。对于齿轮室盖，空压机盖板使用C3D10I进行网格划分，螺栓使用C3D15划分网格。

由于非石棉密封垫片在厚度方向上表现出非常强的非线性特性，如果使用个性同性实体单元来模拟，则厚度方向的非线性特性无法体现，直接影响计算结果。ABAQUS提供了专门的垫片单元来模拟垫片结构[6]。这种单元在厚度方向上只需要1～2层单元即可。单元在厚度方向上的非线性特性通过定义垫片的回弹特性曲线来实现，如图1所示。

图1 非石棉垫片回弹特性曲线
Fig.1 Elastic characteristic curve of non-asbestos gasket

由于密封垫片为主要关注结构，因此需要对密封垫片以及密封垫片两侧结构的接触面网格进行适当细化，为了保证精度，接触面网格细化为2 mm，其余部位的网格尺寸适当放大，以减少单元数量，缩短计算时间。优化后，共计划分单元116 092个，并根据计算迭代要求检查网格质量。装配结构的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型
Fig.2 Finite element model

1.2 接触定义及边界条件

本文所计算的结构中，涉及的接触面有齿轮室盖与螺栓、密封垫片与齿轮室盖、密封垫片与空压机盖板、空压机盖板与螺栓。齿轮室盖与螺栓之间定义为面-面的Tie接触。密封垫片与齿轮室盖、密封垫片与空压机盖板之间定义为面-面的小滑移（Small sliding）接触。空压机盖板与螺栓之间定义为面-面的有限滑移（Finite sliding）接触 [4-5]。

通过对有限元模型施加边界条件来反映所计算部件实际工况中的约束情况。边界条件应尽量简化，避免由于边界条件设置不当导致计算不收敛或计算结果不准确。本模型根据实际情况，对齿轮室端面（与机体的接触面）施加6向约束。

1.3 载荷

本文所计算的模型中，空压机盖板通过4颗M8六角法兰面螺栓紧固在齿轮室盖上。根据企业标准，该处螺栓的拧紧力矩为32～41 N·m，计算得螺栓的预紧力为20 000～25 625 N。通过分别施加最小的螺栓预紧力与最大螺栓预紧力两种工况下，来考察密封垫片的压力分布情况。

2 计算结果及分析验证

2.1 计算结果

根据载荷设置，本文分别计算了在施加最大螺栓预紧力和最小螺栓预紧力时，密封垫片的压力分布，计算结果如图3、图4所示。根据密封垫片的压力云图可以看出，两种工况下，密封垫片最低面压值为0（云图中椭圆标识的黑色区域）。说明密封垫片存在零面压区，密封不满足要求。

图3 最大螺栓预紧力下的压力分布
Fig.3 Pressure distribution under maximum bolt pretension

图4 最小螺栓预紧力下的压力分布
Fig.4 Pressure distribution under minimum bolt pretension

2.2 计算结果分析

对比两种工况下密封垫片的压力分布可以看出，在较大螺栓预紧力的工况下，螺栓压紧区域的面压值较大，最大值约为163 MPa。但是相较于另一种工况，它的零面压区域面积更大。

在本文所计算的结构中，空压机盖板使用的材料为HT250，厚度为8 mm。在施加螺栓预紧力后，受限于空压机盖板本体的刚度，盖板本身会发生翘曲变形，再加上螺栓跨距较大，所以在两个螺栓中间位置出现零面压区。当施加的螺栓预紧力较大时，盖板的变形量更大，导致在较大螺栓预紧力时，零面压区更大。

2.3 计算结果验证

通过使用FujiFilm感压纸对所计算空压机盖板进行面压试验，得到垫片的压力分布情况，如图5所示。试验结果表明，非石棉密封垫片上压力分布规律与有限元计算得到的压力分布基本吻合，证实了仿真计算的准确性。

图5 面压试验结果
Fig.5 Test result of surface pressure

3 结构优化及验证

3.1 优化方案

根据仿真结果及分析，由于空压机盖板自身刚度不足，再加上螺栓跨距较大，导致出现零面压区。由于布置原因，无法增加或改变紧固螺栓的位置，考虑通过提高空压机盖板本体刚度来改善面压结果。考虑工艺性，增加盖板的厚度是最有效和直接的方案。图6为空压机盖板厚度增加至12 mm后密封垫片的面压分布云图。

图6 12 mm盖板的压力分布
Fig.6 Pressure distribution of cover plate 12 mm think

将盖板厚度增加至12 mm后，密封垫片的最低面压值为3.02 MPa。所有密封区域不存在零面压区，密封满足要求。

4 结论

通过ABAQUS对某发动机空压机盖板的密封结构进行计算分析，并对比试验结果，可以得出以下结论：

（1）通过ABAQUS中Gasket单元，可以模拟非石棉垫片在实际工况中的面压分布情况。

（2）空压机盖板的刚度、紧固螺栓的预紧力会对密封产生影响。

（3）通过对密封结构进行有限元分析，可以提前发现潜在失效风险，并通过仿真手段提出合理化建议，缩短了开发周期，节约了开发成本。