航天返回与遥感第42卷第1期
48SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING2021年2月
王东辉1戈嗣诚2王立武2武士轻2陈金宝1陈传志1
（1 南京航空航天大学航天学院，南京 210016）
（2 北京空间机电研究所，北京 100094）
滚珠丝杠副安装
摘要针对柔性舱为密封舱在太空环境中存在密封可靠性不足问题，文章提出了一种柔性舱O型密封结构，建立了柔性舱密封结构的非线性有限元仿真模型。通过柔性舱O型密封圈的V on Mises应力及最大接触应力来判定柔性舱密封可靠性，探讨柔性舱内气压、预压缩率、压条与舱门法兰间是否添加薄膜等因素对柔性舱密封性能的影响状况。ANSYS仿真分析结果表明：随着预压缩率及柔性舱内压增加，最大接触应力与V on Mises应力增大；当柔性舱密封结构添加薄膜时将增强密封性能，预压缩率为10%且舱内气压在0.1~0.6MPa范围内时可实现自密封，从而保证柔性舱密封性能。关键词柔性舱密封O型密封圈有限元分析接触应力航天器机构
中图分类号: V526文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2021)01-0048-09
DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.006
Analysis of the Sealing Performance of O-ring in Flexible Cabin WANG Donghui1 GE Sicheng2 WANG Liwu2WU Shiqing2 CHEN Jinbao1 CHEN Chuanzhi1
（1 College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China）
（2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）
Abstract The flexible capsule is a sealed capsule that has insufficient sealing reliability in space environment. A kind of flexible capsule O-ring sealing structure is proposed, and a nonlinear finite element simulation model of the flexible capsule sealing structure is established. The V on Mises stress and maximum contact stress of the O-ring of the flexible cabin are applied to determine the reliability of the flexible cabin door’s sealing. Furthermore, this paper discuss the influence of factors such as air pressure in the flexible cabin, pre-compression rate, whether to add a film between the strips and the door flange on the sealing performance of the flexible cabin. Numerical simulation anal
ysis by ANSYS shows that as the pre-compression rate and the internal pressure of the flexible cabin increase, the maximum contact stress and the V on Mises stress increase; when a thin film is added to the sealing structure of the flexible cabin, the sealing performance will be enhanced. When the pre-compression rate is 10% and the air pressure in the cabin is in the range of 0.1~0.6MPa, self-sealing can be realized, thereby ensuring the sealing performance of the flexible cabin.
Keywords flexible cabin seal; O-ring; finite element analysis; contact stress; spacecraft agency
收稿日期：2020-03-19
基金项目：江苏省基础研究计划(自然科学基金)（BK20180417）；国家自然科学青年基金（11902157）；载人航天预先研究项目（040202）
引用格式：王东辉, 戈嗣诚, 王立武, 等. 柔性舱O型密封圈密封性能分析[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(1): 48-56.
WANG Donghui, GE Sicheng, WANG Liwu, et al. Analysis of the Sealing Performance of O-ring in Flexible Cabin[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 48-56. (in Chinese)
第1期王东辉等: 柔性舱O型密封圈密封性能分析 49
0 引言
载人深空探测是扩展人类活动领域及开发利用资源的有效途径，大型空间柔性舱体作为载人深空探测的典型设备，不仅可用于空间站的建设，同时还能为后续月球基地的探测和建设奠定基础[1-2]。为了保证深空探测安全进行，在发射前需对柔性舱密封等结构进行可靠性试验，检验其在太空环境中能否工作正常，而密封技术又是评定柔性舱可靠性关键因素之一[3]。
密封技术对航天器正常工作至关重要，历史上曾发生数起因密封装置失效而造成的航天事故，如1986年美国“挑战者”号[4]，由于右侧推进器O型密封结构设计问题导致密封圈失效，燃气泄漏造成航天飞机爆炸；2007年美国“奋进号”航天飞机因船舱泄漏问题导致无法按期发射[5]。针对密封可靠性不足问题现阶段密封结构大多采用O型密封圈形式[6]，业内对于此类密封结构已开展了大量研究工作，例如：文献[7]中提出了O型密封圈的接触应力的经验公式，可用于解决密封结构摩擦、泄露及其耐用性问题。文献[8]对大型真空容器的密封结构进行有限元研究，得出密封槽宽度对密封圈压缩量的影响规律。文献[9]对载人飞船舱门及主轴密封结构进行有限元分析，得出结构参数对密封性能的影响规律、分析摩擦系数及温度对密封失效的影响规律。
目前，国内大多数飞行器大多使用O型密封圈进行密封，O型密封圈具有体积小、结构紧凑、密封性能好、摩擦阻力小等优势，可广泛应用于端面及其零件内外径结构切合面[10-11]。影响密封圈密封性
能的因素包括：舱内气压、O型密封圈预压缩率、槽口倒角等因素[12-13]。本文以大型空间柔性舱体密封结构的O型密封圈为例，利用ANSYS软件研究各影响因素下O型密封圈的接触应力及V on Mises应力，分析O型密封圈的受力和密封性能，对O型密封圈各个影响因素下进行有限元仿真分析，为柔性舱的密封性能提供科学的理论依据。
1 柔性舱密封结构及密封性能判定
柔性舱舱体的密封性能主要取决于舱门的密封结构，结构例如图1所示。柔性舱舱门共设置两处密封结构，一处为舱门与舱门法兰之间设置O型密封圈，夹层间增加薄膜，舱门与舱门法兰由螺钉连接；另一处为舱门法兰与蒙皮之间设置O型密封圈，中间夹层增加薄膜，舱门法兰与压条由螺钉连接，对柔性舱蒙皮实施压力起到固定作用。为提高柔性舱密封性能，在舱门法兰与蒙皮间设置两道密封圈增强密封可靠性。柔性舱的密封结构通过O型密封圈进行径向密封为轴对称结构，将其简化为二维模型如图2（a）所示。柔性舱蒙皮刚化后弹性模量远大于密封圈[17]，因此，可将柔性舱蒙皮及压条简化为单个刚体。图2（b）为径向密封结构简化后O型密封圈的几何模型，柔性舱舱门两处密封结构可用该简化模型进行计算。柔性舱O型密封圈直径为7mm，密封槽尺寸为9.7mm×5.72mm，槽口半径为1mm，槽底半径0.2mm。
图1 柔性舱舱门密封结构例
Fig.1 Flexible cabin door sealing structure
50 航 天 返 回 与 遥 感 2021年第42卷
（a ）柔性舱舱门的径向密封结构 （b ）O 型密封圈几何模型
（a ）Radial sealing structure of flexible cabin door （b ）O-ring seal geometry model
图2 柔性舱密封结构二维模型
Fig.2 Two-dimensional model of flexible cabin sealing structure
柔性舱O 型密封圈密封面的接触应力及V on Mises 应力影响密封结构的密封特性，柔性舱密封性能的优劣取决于舱门法兰与O 型密封圈的最大接触应力，密封圈接触面最大接触应力大于柔性舱内气压时
可实现密封效果，最大接触应力越大，柔性舱密封性能越好[14]。同时，需考虑密封圈的最大V on Mises 应力，具体计算公式为
}{1/2222122331=[()()()]/2σσσσσσσ++--- （1） 式中 σ1、σ2、σ3为单元体三个方向的主应力；σ为V on Mises 应力，大小可判定密封圈的破坏失效及疲劳失效概率；其等效应力主要反映密封圈某点的V on Mises 应力，V on Mises 应力越大，O 型密封圈越易出现材料蠕变及应力松弛现象[15]。
O 型密封圈的最大接触应力越大密封性能越好，而V on Mises 应力越大材料易失效，因此，最大接触应力与最大V on Mises 应力相互限制，可利用柔性舱O 型密封圈密封面接触应力及V on Mises 应力判定柔性舱密封结构的密封性能[16]。
2 计算模型
工业重型防坠器
2.1 O 型密封圈材料模型
对柔性舱O 型密封圈进行有限元分析时，将O 型密封圈视为超弹性体，具有材料非线性及几何非线性的力学特性[17]。现假设O 型密封圈材料具有不可压缩或近似不可压缩、各向同性的特性，Rivlin 提出不可压缩或近似压缩及各向同性橡胶材料的应变能函数由应变张量的2个不变量I 1、I 2所表示[18]，并推导出Mooney-Rivlin 模型的应变能函数模型W 2121,111(3)(3)(1)N
N i j k ij k i j k W C I I J d ====
--+-∑∑ （2）
式中 C ij ，N ，d k 为Mooney-Rivlin 模型常数；J 为初始和终止状态的体积比。
太阳能热水器控制器应变不变量I 1、I 2为 2222311
23222222232122331()()I J I J λλλλλλλλλ--⎫=++⎪⎬⎪=++⎭
（3） 式中 λ1，λ2，λ3为三方向主伸长比；O 型橡胶圈视为不可压缩材料或近似不可压缩材料时J =1。 Mooney-Rivlin 模型一般有2、5、9种材料参数的材料模型[19]，本文选取两个材料参数的两项式Mooney-Rivlin 模型，即：
101012(3)(3)W C I C I =-+- （4） 式中 I 1、I 2为应变张量的2个主不变量；C 10、C 01为Mooney-Rivilin 模型常数。
柔性舱的O 型密封圈选取硬度为80、泊松比为0.499、01101.87MPa 0.47MPa C C ==，的橡胶，
第1期王东辉等: 柔性舱O型密封圈密封性能分析 51
薄膜材料采用弹性模量为255MPa、泊松比为0.15的线弹性材料。
挤爆胶囊2.2 有限元模型
柔性舱O型密封圈为轴对称模型，其受力为轴对称，因此，传统密封结构如图3（a）所示。对O 型密封圈仿真时，建立O型密封圈、舱门法兰、刚体的二维轴对称模型。在图3（a）密封结构基础上，在舱门法兰与刚体之间添加薄膜，用于仿真柔性舱在有薄膜工况下的密封性能，增加薄膜的密封结构如图3（b）所示。柔性舱O型密封圈两种模型均采用自由划分网格技术。
（a）传统密封结构网格划分模型（b）增加薄膜密封结构网格划分模型（a）Meshing model of traditi
onal sealing structure （b）Meshing model of improved sealing structure
图3 柔性舱密封结构网格划分
Fig.3 Meshing of flexible cabin sealing structure
柔性舱O型密封的工作过程可分为三步：第一步为刚体与舱门法兰的安装过程，即先将刚体移动一段距离，使密封圈有一个预压缩率；第二步为对柔性舱进行充气加压过程，即O型密封圈添加均布压力过程；第三步为柔性舱法兰与刚体之间增加薄膜进行装配及加压过程。仿真模拟柔性舱密封圈的密封过程，将刚体移动一定距离，使其缓慢移动到安装位置，实现刚体与舱门法兰的安装过程模拟。对柔性舱进行充气加压，在密封圈一侧添加压力，仿真在一定压缩率下的加压过程，此过程有三组接触对：1）舱门法兰与密封圈接触；2）密封圈与薄膜接触；3）薄膜与刚体接触。
3 O型密封圈仿真分析
3.1 无气压下不同预压缩率对柔性舱密封特性的影响
模拟无气压下不同预压缩率对柔性舱密封性能的影响，逐步移动刚体到指定位置，O型密封圈的压缩率分别为5%，10%，15%，20%。O型密封圈不同预压缩率的V on Mises应力分布云图如图4所示，可以看出：随着压缩率的增加，密封圈上下截面变形，应力也对应增加，出现两个峰值区，分别为O
型密封圈靠近法兰及刚体接触位置，呈现“哑铃”状，红区域V on Mises应力较大由上下两端向中间靠拢；当预压缩率达到20%时，红区域贯穿，此时O型密封圈出现应力集中，易出现裂纹现象。
（a）5% （b）10%
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（c）15% （d）20%
图4 不同预压缩率下Von Mises应力分布
Fig.4 Von Mises stress distribution at different pre-compression rates
接触应力分布状况如图5所示，由图可知O型密封圈与刚体及密封槽的接触面积增大，上下接触应力对称分布；随着预压缩率的增大，密封圈与刚体最大接触应力增大，与Hertz接触理论相符合[20]。
（a）5% （b）10%
养蜂专用车（c）15% （d）20%
图5 不同预压缩率下接触应力分布
Fig.5 Contact stress distribution diagram at different pre-compression rates
当柔性舱在无内压条件下，不同预压缩率下最大接触应力及最大V on Mises应力分布如图6所示，最大接触应力由1.15MPa增加至5.45MPa，最大V on Mises应力随着预压缩率的增大而增大，但增加至20%时，密封圈出现应力集中现象，此时O型密封圈易出现裂纹，导致密封失效。普通注塑机射咀头
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