飞轮产品抽气嘴密封工艺参数分析

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Analysis on Hermetic Parameters of the Air Pumping M outh Structure in FlywheelsZANG Xiaohua。W U Rendong(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China；2.Mechanical Engineering Department，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract：The paper analyzed the hermetic process parameters of the flywheels for spacecraft with air pumping mouthstructure by finite analysis method，including paste process，caliper width，caliper angle，hermetical thickness and hermeticallocation，the results showed the effects of the process parameters on hermetization.The hermetic process parameters wereoptimized by strain equivalent method，which can lead to the optimized process parameters。

Key words：air pumping mouth，hermetization，finite element analysis空间飞行器用飞轮工作时应保持泄漏率≤1×10 Pa·L/s的中度真空状态，设计上采用留有抽气嘴的结构方式，其产品如图1所示。

图 1 抽气 嘴结构 图抽气嘴的材料为无氧铜，材料弹性模量 E-15GPa，泊松比 -0.3。 9 mm端为与产品焊接端，产品在完成抽真空后采取先用专用工装钳卡口，然后再用铅锡封堵进行密封的工艺 。既要保证铅锡封堵密封口时，产品内部的真空负压不将流动的铅锡吸入腔体形成多余物；又要保证抽气嘴卡紧部位过应力不造成裂纹，使连接的大径端根部应力在允许范围内。所以要对卡口的工艺参数进行分析，包括卡VI钳钳口的宽度、角度和卡紧部位的厚度等。

1 分析过程考虑到卸端需进行封堵铅锡等操作，抽气嘴卡V1的位置距卸端≥13 mm，卡口钳钳口的宽度为 1 mm左右，下面进行工艺参数分析。

1.1 分析工具及条件设定严重，选用 MSC.Marc求解 器进行 求解，使用MSC.Patran进行前后处理，并按以下条件进行简化分析 。

1)抽 气 嘴 的材 料 为 无 氧 铜 ，夹 具 的材 料 为40Cr淬火调质，由于夹具硬度和强度比无氧铜高很多，所以分析中可将夹具简化为刚体进行分析。

2)飞轮抽气嘴的夹紧过程是关 于 2个 面的对称模型，所以采用 1/4模型进行分析 ，以减衅算代价。

3)飞轮抽气嘴夹紧过程涉及到材料的大变形和接触，属于高度非线性分析过程，分析过程中需要用网格自适应划分，以提高计算精度，降低计算代价。

4)由于摩擦因数对研究的影响不大，为了方便计算 ，研究 中假设摩擦 因数为 0，进行计算分析 。

1.2 分析网格生成根据对抽 气嘴夹紧过 程 的分 析 ，可采用 1/4模 型进行 计算，有限元建模如图 2所示 。

设抽气嘴为变形 图2 几何模型图体，网格划分采用 4节点 4面体单元。由于材料变形很大，为了提高计算效率和计算精度，采用网格自适应划分 。本分析根据网格畸变能判据判断是否需本研究涉及到大变形的接触问题，非线性比较] 《新技术新工艺》数字技术与机械工程新技术新工艺 2013年 第 2期j图 7 贴合薄弱区示意图3 各项参数影响分析3.1 卡 口厚度对压紧力的影响分析固定钳 口宽度为 1 mm，卡 口倾斜 度为 1O。。变化卡口最终厚度，以分析工艺情况。

3.1.1 夹紧力的对比分析固定卡 口钳 倾 斜 角 为 10。，卡 口最 终 厚 度 为l mm，使钳口宽度从 0.8 mm增加至 1.2 mm，观察加紧力 的变化情况。根据分析 ，得到结果见表 1。

表 1 夹紧力和最终卡口厚度3.1.2 贴合情况对比分析用同-尺度标尺查看 Von Mises应力 ，分析各个卡口最终厚度贴合的情况。随着卡口最终厚度的减小，接触面的Von Mises应力和应变都呈增大的趋势，但最终厚度从 1.2 mm降至 0.8 mm，应力变化不大，应变却增大了接近 1倍左右，图 8、图 9所示为贴合薄弱区的应变、应力变化曲线。

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2卡口最终厚度图 8 贴合薄弱区的应变变化 曲线0.8 0.9 1.0 1.1 1.2卡IEI最终厚度图 9 贴合薄弱区的应力变化曲线3.1.3 大径端的轴向应力分析由分析可知，大径端处各节点的轴向(z方向)应力分布比较平均，在第 63个增量步的具体数值见表2，在其他增量步也有相同的情况，这里不再赘述。

表 2 大径端各节点轴 向应力值由于各点的轴 向应力差不多，这里随便选取-点，分析其在整个夹紧过程的轴向应力变化。分析可知 ，随着卡 口厚度的变化 ，大径端的轴向应力分布如图 10所示 ，整个过程中，轴 向应力为拉应力，且呈现先增后减的趋势，在第 60个增量步时，拉应力达到最大值 6.387 MPa，在最后贴合完成后，大径端的轴向拉应力趋近于 0。

3.2 卡口钳钳 口宽度变化的影响分析固定 卡 口最 终厚 度 为 1 mm，卡 口倾 斜 角 为1O。，将钳口宽度从 0.8增加至 1.2 mm，进行工艺分析。

3.2.1 夹紧力的对 比分析固定卡 口钳倾斜角为 10。，卡 口最终厚度为1 mm，使钳口宽度从 0.8增加至 1.2 mm，观察夹紧力的变化情况。根据分析 ，得到结果见表 3。

7.5O0006.O00004.50000-R 3.00000辅l5O000O. 1.5 HD0O0 6.0O.0o1 1.8OOOO 3.O蚋伽 1.20000 2 4们伽 3.6们伽 时间图 1O 大径端拉应力在夹紧过程中的变化《新技术新工艺》数字技术与机械工程舳 " ：2 ∞ 卯 加O O O O O O O O O O 毯 sasl g6 4 2 O 8 6 4 2 O 加 加 舱 加R目 ∞D∞ Ⅱo数字技术 机械工程表 3 夹紧力和钳 口宽度3.2.2 贴合情况对比分析卡 口宽度为 0.8～1.2 mm，将 1 mm 作为步进进行分析，观看 Von Mises应力和应变，分析各个卡口最终厚度贴合的情况。经分析，用这几种卡口宽度都能够使材料较好地贴合。从 Von Mises应变>0.4时候的等值面图分析得出，当卡口变宽时，应变>O.4的区域也变大，完全压合的区域也变大。

3.2.3 大径端的轴向应力分析前面已经分析，最大轴向应力发生在第 60步，这里对第 6O增量步的大径端所有节点的轴向应力取平均值，进行分析，结果见表 4。由表 4可知，夹口宽度的增大会使大径端的轴向应力加大。

表 4 大径端轴向最大平均应力和钳 口宽度钳口宽度0.8大径端轴向最大平均 5.802 282 9.721 082 6.398 288 7.037 9.777 313应力/MPa3.3 卡口钳侧面角度变化的影响分析3.3.1 夹紧力的对比分析固定钳 口宽度为 1 mm，卡 口最终厚度为1 mm，使卡口倾斜角从 8。增至 l2。，观察夹紧力的变化情况 。根据分析 ，得到的结果见表 5。

表 5 夹紧力和卡口倾斜角从表 5中可以看出，角度从 8。增加到 12。对夹紧力的影响不大 。

3.3.2 贴合情况对比分析用 同-尺度标尺查 看 Von Mises应力和应变 ，分析各个卡口最终厚度贴合的情况。经分析，卡口倾角为 8。～12。都能使材料较好地贴合，而且应力状况基本相同。

3.3.3 大径端的轴向应力分析根据前面已有分析，最大轴向应力发生在第 6O步，这里只对第 6O增量步的大径端所有节点的轴向应力取平均值进行分析，结果见表 6。由表 6可知，夹口倾角在 8。～12。变化，对大径端的轴向应力影响不大。

表 6 最大轴向应力和钳口倾角的关系大径端轴向最大6.485 961 6.568 134 6.398 288 6.416 047 6.401 552 平均应力/MPa3.4 卡口位置的影响通过分析可以看 出，卡 口位置对大径段应力 以及卡钳作用力都有明显的影响。图 11分别代表了卡口位置距离卸端为 20、25和 30 mm时大径端拉应力的分布。从图 中可以看出，距离大径端越近，对其的拉应力也越大。因此，从保护大径端的角度讲，卡口位置距离大径端越远越好，卸端留出封堵铅锡空间即可 ，而且卡口距离大径端越近，需要的卡钳作用力也。

b)卡口距离卸端25 mil《新技术新工艺》数字技术与机械工程 61新技术新工艺 2013年 第 2期。

蟑r矿 if图 11 卡口位置对大径端 拉应 力的影响4 参数优化用等值面和假设的可牢固贴合应变进行参数优化。由于倾角对贴合的影响不大，这里只考虑卡口最终厚度和钳口宽度 2个参数，对工艺进行优化。

4.1 用接触面 Von Mises应变值>0.4的等值面进行分析优化用>0.4的等值面优化，即认为当应变>0.4时，已产生牢固的贴合。根据等值面图，得到几组可严优参数，见表 7判据 1。

4.2 用接触面 Von Mises应变值>0.5的等值面进行分析优化用>0.5的等值面优化，即认为当应变>0.5时，已产生牢固的贴合。根据等值面图，得到几组可严优参数，见表 7判据 2。

4.3 用接触面 Von Mises应变值>0.6的等值面进行分析优化用>0.6的等值 面优化 ，即认 为当应变> 0.6时，已产生牢固的贴合。根据等值面图，得到几组可严优参数，见表 7判据 3。

表 7 较优参数表判据 知/m般m钳 钳/备注/m m 八 座 川 Kg62黼 卡/ m m钳/ m m钳/ t /备注) 蓝 H K5 结语采用 Marc软件，能够很好地分析抽气嘴的贴合过程。抽气嘴贴合存在薄弱区，只要保证薄弱区能够贴合，则能保证整个试件质量〃 口最终厚度对夹紧力影响较大，随着最终厚度的减小，夹紧力呈较快上升趋势〃口钳口宽度对夹紧力影响较大，随着宽度的增大，夹紧力呈较快上升趋势〃口倾角在 8。～12。范围变化 ，对夹紧力的影响不大。当卡口位置距离卸端为 15 mm时，整个贴合过程中，大径端的轴向应力在第 60个增量步达到最大，也就是夹口最终厚度为 3 mm的时候达到最大，但该值仍然较小，-般<10 MPa〃口位置对大径端的应力有很大影响，距离大径端越近，大径端的拉应力越大〃口钳口宽度对大径端所受的轴向应力略有影响，随着宽度的增加，轴向应力也随着增加〃口倾角在 8。～12。范围变化，几乎对大径端所受的轴向应力没有影响。计算中可以看出，卡口位置已经严密贴合 ，但这不代表该位置已经焊合 ，因此不能说明其是否漏气。

作者简介：臧孝华(1977-)，男，硕士，工程师，主要从事航天器控制、推进系统部件制造技术与工艺方面的研究 。

收稿 日期 ：2012年 O8月 20日责任编辑 吕菁《新技术新工艺》数字技术与机械工程优 选 选 选 选较 町 可 可 町8 6 0 6 6 1 5 4 5 8 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 ～ ～ ～ ～ ～8 8 8 8 8 1 1 . . 。

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