常潔 陳同祥

(北京空間飛行器總體設(shè)計部, 北京 100094)

長壽命航天器結(jié)構(gòu)密封性能仿真分析研究

常潔 陳同祥

(北京空間飛行器總體設(shè)計部, 北京 100094)

硅橡膠密封圈的力學性能會隨著工作時間的增加而發(fā)生退化，本文首先初步分析硅橡膠的熱氧老化機理，然后對硅橡膠材料在熱氧加速老化試驗前后的特性參數(shù)進行分析對比，并借助非線性有限元分析軟件ABAQUS對由該種材料制成的O形圈老化前后的最大接觸應(yīng)力等力學參數(shù)進行分析計算，最后討論了這些參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)密封效果的影響。本文的研究結(jié)果可為長壽命密封圈設(shè)計提供參考。

航天器結(jié)構(gòu)；硅橡膠密封圈；熱氧老化；有限元分析；接觸應(yīng)力

1 引言

對于有密封要求的航天器來說，密封性能好壞直接影響到它的正常運行。由于密封技術(shù)本身的難度，再加上在軌空間環(huán)境的復雜性，密封失效的概率也比較高，航天史上約有50%的重大故障與密封泄漏有關(guān)。1971年，蘇聯(lián)的聯(lián)盟11號飛船完成了與禮炮1號的對接任務(wù)后返回，返回艙和軌道艙分離后，因密封失效，返回艙內(nèi)壓力突降，最終導致3名航天員窒息而亡。此外，發(fā)生在1986年的美國挑戰(zhàn)者號航天飛機爆炸失事也是由于運載火箭的密封圈失效導致。由此可見密封對于航天器而言有著至關(guān)重要的意義。

隨著我國載人航天技術(shù)的飛速發(fā)展，以空間站為代表的航天器壽命要求長達十幾年，結(jié)構(gòu)長壽命、尤其是密封圈長壽命問題，將會是影響型號成敗的關(guān)鍵因素。作為一種非金屬材料，橡膠密封圈的老化不可避免。老化后材料的彈性模量、硬度、拉伸強度等均發(fā)生了改變，致使影響密封性能的密封圈接觸應(yīng)力等力學參數(shù)也發(fā)生了退化，最終將會導致密封結(jié)構(gòu)漏率增加。

國內(nèi)外有很多學者對航天器所用橡膠材料本身的老化特性進行了研究，包括了材料老化機理、加速老化試驗方法、壽命預測等方面[1-3]，一般都是通過對材料進行高溫加速、輻照等方法，對材料的老化性能進行研究，同時也利用有限元分析軟件對對密封圈工作時的力學狀態(tài)進行了分析，研究了密封接觸應(yīng)力、接觸長度等參數(shù)[4-5]。

對于航天器結(jié)構(gòu)使用密封圈而言，其工作狀態(tài)是一直被壓縮在法蘭盤里，影響其老化的主要影響因素是溫度和機械壓縮力，在這兩種因素共同作用下，隨著航天器在軌服役時間增加，密封圈工作時的密封接觸應(yīng)力等參數(shù)有著怎樣的變化，這方面的研究工作并不多。因此，目前的航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)用密封圈的長壽命設(shè)計也大多停留在對密封材料的研究階段。

本文將利用目前載人航天器中一種常用的硅橡膠密封圈的加速老化試驗數(shù)據(jù)，通過有限元法定量地分析長期處于壓縮狀態(tài)的密封圈老化前后的力學性能變化情況，這對航天器結(jié)構(gòu)使用長壽命密封圈設(shè)計有借鑒意義。

2 硅橡膠老化機理

2.1橡膠材料老化影響因素

橡膠是一種高分子材料。從宏觀上說，橡膠的老化是指橡膠的表面出現(xiàn)龜裂，材質(zhì)變脆，或者是發(fā)生了應(yīng)力松弛、蠕變等；從微觀上說，是橡膠分子或分子之間發(fā)生了斷裂、氧化和交聯(lián)，導致材料的力學特性發(fā)生了改變，其中包括硬度、拉伸強度、壓縮永久變形等變化。即使在橡膠材料的制配過程中，我們能加入防老劑等來延緩材料的老化，但是這種老化帶來的性能退化還是不能避免的。橡膠的老化與它的具體化學結(jié)構(gòu)有著直接的聯(lián)系，當然也離不開外部因素的影響。這些外部因素可以大致分為物理因素和化學因素。常見的物理因素是熱、光、機械應(yīng)力，化學因素有氧、臭氧等。橡膠是一種高聚物，且各種不同橡膠的化學組成不一樣，老化既是物理過程又是化學過程，目前還沒有一個準確地描述橡膠老化機理的理論。

對于在航天器使用的硅橡膠密封圈而言，它還會受到原子氧、紫外輻照、帶電粒子等空間環(huán)境的作用，但由于密封圈裝配于密封槽內(nèi)，金屬基體的法蘭會屏蔽絕大部分空間環(huán)境粒子的作用，密封圈的老化受這些環(huán)境因素影響相對較小。在有密封要求的航天器中，其內(nèi)部密閉著一定壓力的空氣，因此造成密封圈在空間工作過程中老化的主要環(huán)境影響因素是熱和氧氣。

2.2硅橡膠的熱氧老化

在熱氧老化過程中，熱促進了橡膠的氧化，而氧促進了橡膠的熱降解[6]。作為一種無機彈性體，硅橡膠的耐氧化能力是比較強的。與天然橡膠的主鏈中含有不飽和的C=C鍵不同，硅橡膠的主鏈是Si-O鍵，側(cè)鏈為甲基、苯基、乙烯基等有機基團，因此它不易像天然橡膠一樣發(fā)生自由基鏈式自催化氧化反應(yīng)。但如果是長期暴露于空氣中，或者是與氧氣接觸，氧化作用還是會發(fā)生。尤其是有外界因素同時作用下，如在太空中工作的密封圈，會受到紫外線、電子輻照等影響，此時氧化作用大大加劇。氧化作用開始只發(fā)生在橡膠制品的外表層，并使表面層發(fā)生脆化，隨著反應(yīng)的不斷深入，材料內(nèi)部也會有逐步氧化的危險。氧化的直接后果就是造成分子鏈的斷裂、分子鏈之間的交聯(lián)等等，從宏觀上說，有可能導致橡膠變硬、龜裂等。下面是二甲基硅橡膠的一種氧化機理[7]：

從上面的分子反應(yīng)式中看出，它與氧氣發(fā)生熱氧老化后，側(cè)鏈的部分甲基已經(jīng)被氧化了，分子之間還出現(xiàn)過度交聯(lián)的現(xiàn)象，硅橡膠分子的結(jié)構(gòu)也就發(fā)生了改變。

3 熱氧老化對材料力學性能的影響

為了更好地研究硅橡膠密封圈在老化后的力學特性，對材料進行烘箱加速老化試驗，并對材料的硬度、拉伸強度、壓縮永久變形等力學參數(shù)進行分析。

3.1硬度變化

硬度表征的是材料抵抗壓縮變形的能力。橡膠是一種高分子材料，硬度的大小與其分子結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系，按照Flory硫化膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理論，橡膠分子量越大，游離末端越少，有效鏈數(shù)越多，橡膠的硬度值也越大[8]。并且隨著交聯(lián)密度的增大，硬度會呈線性增加的趨勢。一般普通的天然硫化膠，由于主鏈上含有大量不飽和的碳碳雙鍵(C=C)，在其熱氧老化過程中，很容易被氧化并造成交聯(lián)鍵的斷裂，而硅橡膠的主鏈上是硅氧鍵 (Si-O)，因此它在老化的過程中不會輕易發(fā)生鍵斷裂的情況，相反地，還有可能會出現(xiàn)各大分子之間的繼續(xù)交聯(lián)現(xiàn)象，圖1中給出的55硬度硅橡膠材料老化后硬度變化的試驗數(shù)據(jù)也證明了這一點。

圖1 硅橡膠的邵爾硬度值隨老化時間的變化曲線圖

3.2拉伸強度變化

橡膠的拉伸強度表征的是材料抵抗拉伸破壞的極限能力。材料的拉伸斷裂主要有兩種形式：一是加載的外力大于分子間的相互作用力時，會產(chǎn)生分子間的滑動而使材料破壞；二是分子主鍵的化學鍵能遭到破壞而使材料開裂。分子量越小，分子間的作用力也小，易產(chǎn)生分子間的滑動，從而造成開裂破壞。因此拉伸強度一般隨分子量的降低而減小。另外，對硬度值較低的硫化橡膠而言，拉伸強度會隨著交聯(lián)密度的增加而增大，并出現(xiàn)一個極大值，然后隨著交聯(lián)密度的進一步增加，拉伸強度急劇下降。從圖2中55硬度硅橡膠材料老化數(shù)據(jù)看出，雖然拉伸強度值在老化過程中有波動，但是總的趨勢是下降的。

圖2 硅橡膠的拉伸強度隨老化時間的變化曲線圖

3.3壓縮永久變形變化

對于密封圈而言，壓縮永久變形越小，其回彈力就越大，密封效果也就越好。壓縮永久變形反映的是受壓狀態(tài)下的橡膠在卸載之后的復原能力。它與彈性是密切相關(guān)的，而分子鏈的柔性越大，彈性就越好。在橡膠的熱氧老化過程中，隨著材料分子不斷地被氧化、裂解，以及分子間過度地交聯(lián)都會造成分子鏈的活動受阻，從而使彈性下降，壓縮永久變形也會大大增加。圖3給出的是在55硬度硅橡膠在某一老化溫度下壓縮永久變形量隨時間的變化圖。

圖3 硅橡膠的壓縮永久變形隨老化時間的變化曲線圖

4 老化前后硅橡膠O形圈的有限元分析

老化前后材料硬度、拉伸強度、壓縮永久變形的變化只表征材料特性，對于用該種橡膠材料制成的密封圈而言，在使用中更關(guān)心的是與密封性能相關(guān)的力學性能的變化，如密封圈與法蘭之間的接觸面寬度、接觸應(yīng)力等，這些需要在研究材料參數(shù)變化的基礎(chǔ)上借助非線性分析軟件建模并計算得到。

4.1計算模型

利用分析軟件ABAQUS對密封圈建模分析，并基于如下三條假設(shè)：

(1) 航天器密封結(jié)構(gòu)的法蘭，一般的材料是鋁合金，彈性模量在70 GPa左右，而作為密封圈的橡膠材料，一般的彈性模量僅為0.008 GPa左右，這兩者相差近萬倍。因此在分析O形圈的力學特性時，可以將法蘭視為剛體，只需考慮密封圈的變形。

(2) 橡膠的泊松比接近于0.5，在分析中當作不可壓縮材料處理。

(3) 無論是密封圈、上下法蘭還是邊界條件等等，都是關(guān)于中心軸對稱的，在建模時便可以采用二維的軸對稱模型。

基于上面的基本假設(shè)，建立如圖4所示的幾何模型。本次分析的O形圈的名義壓縮率為25%。密封圈的內(nèi)徑φ=200 mm，截面直徑d=6 mm，密封槽寬b=7.2 mm，深h=4.5 mm。

圖4 O形密封圈裝配截面圖

老化前后O形圈的分析模型類似，產(chǎn)生變化的是下面兩部分：

(1)O形圈截面形狀的變化。老化前的O形圈的截面直徑是6 mm，老化到一定程度時，由于其一直處于受壓縮的狀態(tài)，因此在熱氧老化過程中發(fā)生了不可逆的塑性變形。通過對老化前后的密封圈的截面尺寸進行測量可知，其截面不再是圓形，而是變成了類似橢圓的不規(guī)則形狀，如圖5所示。

圖5 O形圈老化前后的截面變化圖

(2)材料參數(shù)的變化。由于不能直接對密封圈進行材料試驗，因此，這里提到的密封圈的材料參數(shù)，是指硅橡膠試驗試件在經(jīng)歷相同的老化條件(一定高溫、一定時間)后進行單軸壓縮試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖6所示。ABAQUS在利用這些應(yīng)力應(yīng)變曲線后會依據(jù)選擇的本構(gòu)模型擬合得到相應(yīng)的材料系數(shù)，作為下一步分析的輸入。

我們再對O形圈進行網(wǎng)格劃分，定義上下法蘭與密封圈的接觸關(guān)系，并設(shè)定上法蘭向下壓縮的分析步驟，就可以得到老化前后O形圈的有限元分析結(jié)果。

圖6 O形圈老化前后的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化

4.2老化前后的有限元計算結(jié)果對比

對于一個密封結(jié)構(gòu)而言，接觸面之間應(yīng)力的大小是保證密封的關(guān)鍵因素。應(yīng)力越大就越能保證密封效果。圖7給出了通過軟件計算后的密封接觸面——包括頂部和側(cè)面的接觸應(yīng)力分布。

圖7 O形密封圈接觸應(yīng)力分布圖

從圖中看出，應(yīng)力最大的區(qū)域出現(xiàn)在頂部的中間位置，越靠近兩邊、應(yīng)力值越來越小。

O形密封圈在老化后，接觸應(yīng)力分布趨勢與老化前的一致。計算結(jié)果詳見表1。

表1 O形圈老化前后的計算值比較

表1的數(shù)據(jù)中，首先，密封面的接觸寬度值變小了，意味著氣體沿界面泄漏的可能性增加。另外，可以明顯看出，O形圈在老化后的接觸應(yīng)力大大地降低了，這說明發(fā)生了不可逆的化學應(yīng)力松弛現(xiàn)象。其原因是在熱、氧、機械應(yīng)力等眾多因素作用下，密封圈發(fā)生了不可逆的塑性變形，密封圈截面會變得越來越扁，此時的實際壓縮率也就降低了。另外，在老化過程中，密封圈的材料特性也發(fā)生了一定的變化，分子主鏈的斷裂、氧化等都直接導致橡膠材料回彈能力的降低，這些都是導致最大接觸應(yīng)力值降低的最主要因素。

從上面的計算結(jié)果可知，在25%的壓縮率下，該種硅橡膠O形圈在老化后接觸應(yīng)力由2.14 MPa降低至1.49 MPa。這樣也定量地找到了這種航天器結(jié)構(gòu)使用硅橡膠密封圈在一定時間后，其工作狀態(tài)下的密封接觸應(yīng)力的剩余值。而密封接觸應(yīng)力值的大小是反映密封效果好壞的關(guān)鍵指標(根據(jù)《真空設(shè)計手冊》[9]，密封面的接觸應(yīng)力大于1.3 MPa時就可以滿足密封的要求)，由此可評估該種密封圈的使用壽命。

5 結(jié)論

對于任何一種航天器結(jié)構(gòu)的橡膠密封圈而言，老化是不可避免的，而老化的程度、老化后密封圈力學特性表征方法、密封圈使用壽命等問題還研究尚少。本文從密封圈老化機理出發(fā)，利用試驗數(shù)據(jù)與有限元分析相結(jié)合的手段，對航天器結(jié)構(gòu)中一種常用的硅橡膠密封圈老化后的力學性能進行了分析，這對長壽命航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)用密封圈設(shè)計有著重要的借鑒意義：

(1)從試驗結(jié)果看出，由于材料性能和截面形狀的改變，老化后硅橡膠O形圈的接觸應(yīng)力值大大下降，增加了密封結(jié)構(gòu)泄漏的可能性，這為密封圈泄漏機理研究可提供一個新的思路。

(2)通過定量分析，得到在一定壽命期限內(nèi)航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)用密封圈的密封接觸應(yīng)力還剩余多少，從而可以據(jù)此判斷密封是否失效，進而得到航天器結(jié)構(gòu)密封圈的使用壽命。

后續(xù)對航天器結(jié)構(gòu)用密封圈的老化研究還將進一步深入，可以從如下幾個方面入手，以期能更好地支持工程應(yīng)用。本文重點分析了O形密封圈，后續(xù)工作可以對航天器中用到的其它截面形狀的密封圈進行老化分析。此外，本文分析的進行加速老化試驗的密封圈試驗樣本還比較少，需要再補充進行一些不同老化程度的密封圈試驗，從而使我們對密封圈老化的認識更加深入。

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Da Daoan. Vacuum design manual[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1991 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Research of Performance for Silicone Rubber Seals Used in Spacecraft Structure Based on Finite Element Analysis

CHANG Jie CHEN Tongxiang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

The mechanics parameters of silicon rubber seals degenerate as working time increasing. Firstly, the mechanics of thermal oxidization aging is analysed in this article. Then the silicon rubber seals’ material parameters are contrasted before and after the aging test. The O-ring’s mechanics parameters, such as maximal contact stress, are calculated with the non-liner finite element analysis software ABAQUS. Lastly, the influence on seal effect of the parameters change is analysed. The research findings can provide some references to design long-life seals.

spacecraft structure; silicon rubber seals; thermal oxidization aging; finite element analysis; contact stress

2014-01-19；

：2014-04-24

國家重大科技專項工程

常潔，男，工程師，主要從事航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。Email：change_ny@163.com。

V414.9

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.009