水下环境监测器密封分析

韩宝珠

（太原学院， 山西 太原 030032）

引言

水下环境探测器是获取水下环境信息的主要设备，与地面上的环境探测器相比，其关键技术在于密封[1-5]。水下密封前人已经有了很多研究成果，主要集中在单个橡胶圈的密封[6]。对常用密封结构进行改进，在单圈密封的基础上在加一个密封圈，即：双圈密封结构。

为了更好地分析水下探测器双圈密封结构的密封性能，利用计算机有限元分析软件ANSYS对双圈密封结构进行数值模拟[7]。主要分析双圈密封结构O型圈的应力分布及其变化，为水下的密封可靠性分析提供参考。

1 有限元仿真

1.1 仿真模型

以内径Φ30 mm、线径Φ1.8 mm的O型圈为例建立ANSYS二维简化模型，如图1所示。

图1 双圈密封结构简图

1.2 橡胶模型

丁腈橡胶（NBR）具有极强的耐水性，因此O型圈材料选用丁腈橡胶。橡胶是一种高度非线性的超弹性材料，根据超弹性理论，ANSYS中采用多参数的Mooney-Rivlin模型来表示橡胶特性，本文采用2个参数模型，其应变能函数如式（1）所示[8]。

式中:I1、I2为应力张量第一、第二不变量；C10、C01为材料常数，分别为1.87、0.47。

仿真分析中假定橡胶具有确定的弹性模量（14.04 MPa）和泊松比（0.499），忽略橡胶蠕变等。

2 密封应力分析

主要分析水上、水下两种环境中O型圈的von Mises应力和接触应力。

2.1 水上应力

水上O型圈的应力分布如图2所示。

图2 O型圈水上应力（Pa）

分析图2可知，未下水之前左右两侧O型圈应力分布一致，O型圈与上下槽接触区的内侧von Mises最大、接触区有连续的接触应力且中间大两侧小呈对称分布。

2.2 水下应力

水下O型圈的应力分布如下页图3所示。

分析图3可知，环境探测器下水过程中，右侧与水接触的O型圈受到水压的作用变形从而起到密封作用，左侧O型圈保持原来状态。水下环境复杂且右侧O型圈应力值相对较大，长时间工作可能会密封失效，这时左侧O型圈会继续变形，仍可起到密封作用，以确保环境探测器长时间在水下工作。

图3 O型圈水下应力（Pa）

3 应力影响因素分析

根据水下特殊的环境：深度增大100 m压力增大1 MPa、温度范围约为2～25℃，以水下500 m工作深度为例，主要分析水下压力、温度对O形圈最大应力的影响。

3.1 水下压力

不同水下压力情况下，密封应力的变化如图4所示。

图4 不同水下压力时的密封应力

从图4可知，下水深度增大，von Mises应力和接触应力都增大且接触应力值较大，接触应力值大于水下的环境压力，O型圈可实现密封功能。

3.2 水下温度

不同水下温度时，密封应力的变化如图5所示。

下水深度增大，环境温度逐渐减小。通过图5可知，接触应力大于von Mises应力，下潜过程中von Mises应力和接触应力都在减小但接触应力始终大于环境压力。对比图4可知，水下压力对密封应力的影响远大于温度对密封应力的影响。

图5 不同温度时的密封应力

4 结论

1）双圈密封结构中，与水接触的右侧O型圈变形明显、密封应力值远大于左侧，右侧O型圈可实现密封功能，如果其密封失效，左侧O型圈会变形起到密封作用，双圈密封结构可保证环境探测器长时间在水下工作。

2）下潜过程中，环境压力增大，接触和von Mises应力增大；温度降低，接触和von Mises应力减小。环境压力对应力的影响远大于温度对应力的影响，接触应力始终大于环境水压，O型圈在水下能够实现密封功能。