常温和超低温橡胶金属复合密封机构的有限元分析与优化-机械电子工程专业毕业论文-机械电子工程专业毕业论文.docx

国内图书分类号: 国际图书分类号:
工学硕士学位论文
常温和超低温橡胶金属复合密封机构的有限元分析与优化
硕士研究生:王涛
导 师:侯珍秀教授
申请 学位:工学硕士
学科、专业:机械电子工程
所在 单位:机电工程学院
答辩 日期:2007 年 7 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: :
Dissertation for the Master Degree in Engineering
FINITE ELEMENT ANALYSIS AND STRUCTURE OPTIMAL DESIGN POSITE SEAL OF RUBBER AND METAL AT ROOM TEMPERATURE AND LOW TEMPERATURE
Candidate: Wang Tao
Supervisor: Prof. Hou Zhengxiu Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2007
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
火箭发动机对密封机构的密封安全性和可靠性要求很高。本课题所研究的橡胶金属复合密封机构,是火箭发动机中的一种特殊的密封机构,其长期工作在复杂的环境下。此密封机构质量的好坏,将直接影响整个火箭发动机的性能。因此对其进行详细的力学分析,并对其结构进行相应的优化设计, 能大大提高火箭整体的安全性和可靠性,具有重要的意义。
本文首先介绍了国内外密封机构设计中有限元方法的应用现状。详细研究了橡胶材料的复杂特性,并给出了橡胶材料的超弹性理论和橡胶的本构关系。通过实验方法获得了本课题中橡胶材料 Mooney-Rivlin 本构模型的基本参数。为后续的有限元模拟研究提供了橡胶的力学特性。
本文针对橡胶金属复合密封机构的特点,提出了此特殊密封机构的失效判据。通过对该密封机构进行有限元数值模拟,获得了其在常温(20℃)和低温(-196℃)两种工作状态下的多种应力场分部、位移场分布及变形情况,以此来判断其密封的安全性和可靠性。并在此基础上,确定了此密封机构中的高应力分布区,为其结构的改进和优化打下基础。
本文对橡胶金属复合密封机构的结构参数进行了有限元数值模拟,得出了各结构参数对密封机构密封性能的影响规律。并在此基础上根据重量最小的原则,对此密封机构进行了结构优化设计,得出了最优解。优化后复合密封机构的密封性能和使用寿命大为改善。
最后本文分析了橡胶金属复合密封机构的主要失效形式以及影响因素。重点研究了工作温度、摩擦系数和加工、安装精度对此密封机构失效的影响规律。为橡胶金属复合密封机构的设计,提供了全面的资料和依据,同时也为其他密封结构设计提供参考。
关键词 复合密封;橡胶;有限元分析;结构优化
Abstract
The rocket engine have highly request in seal’s capability and reliability. In this subject, as a very important part of the rocket engine, posite seal of rubber and metal have a very special sealing structure. posite seal will work in a very poor work condition. So it is very necessary to do some detailed analysis about this seal bodies and some structure optimal design in order to improve the safety of the whole rocket.
In this paper, the statuses of the use of finite element method in the design of sealing are firstly introduced. After that, hyperelastic theory and finite element method for non-linear contacti