為了研究不同結構參數對U 形金屬密封環密封性能的影響規律，利用ABAQUS 軟件建立某U 形金屬密封環的二維軸對稱模型，在常溫預緊工況和低溫工作工況下計算分析U 形密封環厚度、截面寬度、腿部厚度以及圓弧半徑等結構參數對密封環最大Von Mises 應力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響。結果表明，將U 形環厚度增大為3. 8 mm、腿部厚度減小為0. 1 mm 時，U 形環密封性能提高; 取截面寬度在6. 4 ～ 6. 8 mm 之間、圓弧半徑在0. 7 ～0. 9 mm 之間，均能獲得較好的密封性。根據計算結果，針對加載后U 形密封環腿部出現翹曲的現象，提出了減小U 形環腿部右端高度的改進方法。

　　20 世紀60 年代初液氫液氧發動機開始在運載火箭上得到應用。由于液氫清潔和高能的特點，在未來的航天事業中，以液氫液氧為燃料的火箭發動機必將發揮更大的作用。然而由于火箭發動機上輸送液氫液氧的管路密封面臨著低溫、高壓及強烈震動等苛刻的操作環境，而液氫液氧又具有沸點低、滲透力和浸濕性強、易燃易爆等特性，少量泄漏都可能引起災難性的爆炸，這就要求火箭發動機管路系統各連接部位保證“零泄漏”。國內外從20 世紀70 年代就開始針對金屬密封做了一系列研究。

　　目前，常用的金屬密封的形式主要有金屬墊片、O 形環、C 形環、Ω 形環、E 形環、B 形環、三角墊密封等。SSME ( 美國普惠公司洛克達因分部為航天飛機設計的主發動機) 使用了由鍍銀的鎳基材料制成的“U”形壓力作用式密封元件，而目前U 形密封環在國內仍較為少見。為了研究U 形金屬密封環在航天動力機械中的應用，使其在低溫、高壓等苛刻工況下仍能夠很好地滿足密封要求， 本文作者利用ABAQUS 有限元分析軟件，建立了U 形金屬密封環的軸對稱模型，分析了U 形密封環厚度C、截面寬度K、腿部厚度J 以及圓弧半徑R 等結構參數對密封環最大Von Mises 應力、接觸壓力大小及其分布以及接觸寬度的影響，并根據這些參數對U 形金屬密封環密封性能的影響規律，對其結構進行了改進設計。

1、U 形金屬密封環有限元模型的建立

　　U 形金屬密封環是一個安裝在上下法蘭之間的三維軸對稱實體。圖1 所示為某U 形密封環橫截面結構示意圖，表1 給出了該密封環的初始結構參數。實際工作中，U 形密封環不僅受到上下法蘭的壓緊力，還受到管路內部的介質壓力，而這些作用力是關于管路中心線對稱的。因此，采用平面軸對稱模型對U形密封環及上下法蘭盤進行簡化，得到如圖2 (a)所示的有限元分析模型。采用標準化網格劃分技術對各部件進行網格劃分，劃分好后的二維軸對稱有限元模型如圖2 (b) 所示，共13740 個單元，單元類型為CAX4R (4 節點雙線性軸對稱四邊形減縮積分單元) 。

圖1 U 形金屬密封環截面結構示意圖

表1 U 形金屬密封環截面結構參數

圖2 U 形密封環及法蘭的平面軸對稱有限元模型

2、結論

　　(1) 利用ABAQUS 軟件建立了某U 形金屬密封環的軸對稱有限元模型，計算分析了厚度C、截面寬度K、腿部厚度J 以及圓弧半徑R 等結構參數對密封環最大Von Mises 應力、接觸壓力大小及接觸寬度的影響。提出了此U 形密封環的最佳結構參數范圍，并針對其工作時產生不合理變形進行了結構改進，一定程度上改善了密封性能，真空技術網(http://smsksx.com/)認為對該U 形金屬密封環的設計和使用有一定的指導意義。

　　(2) 總體而言，原U 形環結構設計可以滿足密封要求，但通過以下結構參數的優化均可進一步改善密封性能: 將U 形環厚度C 增大為3. 8 mm，腿部厚度J 減小為0. 1 mm; 取截面寬度K 在6. 4 ～ 6. 8 mm之間，圓弧半徑R 在0. 7 ～ 0. 9 mm 之間。

　　(3) 針對加載后U 形密封環腿部出現翹曲致使高壓介質填滿左側縫隙的現象，提出了結構改進方法。當將U 形環腿部右端高度尺寸減小0. 09 mm 時，密封環左端開始與法蘭盤緊密接觸，從而可以形成有效的密封，這對提高U 形密封環的強度和密封性能都有一定的好處。