随着我国宇航技术的发展，对运载器提出了重复使用的要求，这对接触推进剂的管路及其它系统的密封技术提出了较大挑战，其密封部位的技术难点主要包括密封性能要求高、常低温温度交变、安装力矩小、允许多次拆装更换密封件及与推进剂有着良好相容性等。
本文在综合考虑密封要求、重复使用工况和低安装力矩要求的情况下，提出了一种低温下重复使用低安装力矩密封连接结构，对其密封结构进行了设计，并对安装力矩与密封性能进行了仿真分析与试验验证，结果表明其具有紧固载荷小、密封漏率极低、在宽温区条件下可重复使用的特点。可以满足重复使用管路及其它系统的连接与密封要求。
可重复使用密封连接结构采用台阶式双道密封结构，其具有冗余密封、可重复拆装使用、易于加工等特点，结构如图1所示。
仿真计算分析：
（1）安装力矩
主要采取基于ANSYS软件的有限元计算方法对密封结构进行计算分析，计算所用金属碟形密封圈及凹台阶、凸台阶接头的材料均为0Cr18Ni9， 采用工程应力、工程塑性应变定义塑性，其基本力学性能参数如表1，因密封结构、载荷和约束均具有对称性，故建立其二维轴对称有限元简化模型。
（2）安装力矩
可重复使用密封结构中靠凸台阶、凹台阶的端面实现限位，由于结构尺寸的限制，限位面面积较小，其单边宽度只有1 mm，因而有必要对安装力矩下限位面的结构强度进行校核，确保限位面不会被压溃。考虑极限情况下没有密封件，全部载荷都作用在限位面的情况，建立简化的有限元模型。
（3）金属碟形圈密封分析
金属碟形密封圈内圆主密封面、外圆主密封面上的塑性变形如图9所示，内圆主密封面塑性变形率21.4%，外圆主密封面塑性变形率18.0%，可知满足塑性变形的要求。
金属碟形密封圈工作状态下的轴向弹性变形量应在所允许的极限值范围内：内锥面（除副密封面以外部分）不应与对接面凹面轴向接触，外锥面（除副密封面以外部分）不应与对接面凸面轴向接触。金属碟形圈密封结构的局部变形图如图10所示，可知金属碟形圈内、外锥面只有副密封面部分分别与对接面凹面、对接面凸面产生轴向接触，满足刚度的计算要求。
工作状态下，金属碟形密封圈中部等效应力以小于其材料的屈服强度为宜，可允许部分进入塑性区，但不允许有贯穿其厚度方向的连续塑性区带。金属碟形圈密封结构的Von Mises应力云图分别如图11所示。可知金属碟形圈中间段均有区域已进入塑性区，但没有形成贯穿其厚度方向的连续塑性区带，满足稳定性要求。
根据图1密封槽尺寸和图3中橡胶O形圈尺寸，考虑尺寸公差的影响，利用极值法，按式（4）、式（5）计算橡胶O形圈压缩率，要求压缩率范围满足10%—45%，填充率满足不大于100%。以通经20 mm管路密封结构为例，计算得压缩率为18.1%—30.6%、填充率为63.9%—90.0%，满足密封的要求。
试验验证：
为了验证设计的可重复使用密封结构满足深低温重复使用工况下可靠密封的要求，并在仿真分析得到的安装力矩范围内确定实际安装力矩值，以管路通经20 mm密封连接结构为例，进行了安装力矩及常温气密、常低温循环试验。
主要结论
对可重复使用密封结构进行了结构设计、仿真计算和试验验证，结果表明其具有安装力矩小、密封漏率极低、在宽温区条件下可重复使用的特点，尤其是安装力矩较同规格的金属垫圈密封结构安装力矩大大减小，能够满足重复使用运载器低温推进剂管路系统的连接与密封需求。
by《低温工程》
