1. 研究目的与意义

本次任务的目的是完成剖分式机械密封变形的数值分析，要求全面熟悉和了解剖分式机械密封的结构形式，根据现有的剖分式机械密封结构，用pro/e软件建立剖分式机械密封动静环的实体模型，利用有限元分析软件ansys对剖分式机械密封环进行有限元分析，最终得出在不同介质压力、螺栓预紧力作用下机械密封端面和剖分面的变形情况。

由于剖分式机械密封安装拆卸方便，能降低设备的维修成本，一直为机械密封研究者所关注，特别是如何开发性能优良、工作变形小的剖分式机械密封已成为密封领域研究的焦点，所以完成这项工作可以为后续分析剖分式机械密封的密封性能计以及结构改进奠定基础。

2. 国内外研究现状分析

1.剖分式机械密封的发展概况

机械密封作为一种解决流体密封的装置，能够有效地防止流体的泄漏。然而，国内外对于剖分式机械密封结构的研究设计还不是太多。在国内，马卫东对于剖分式机械密封的研究较早，并于2000年发明了一种用于大型反应釜和大型泵的分体式机械密封，使其安装工程减少，时间变短；合肥通用机械研究所设计了用于闪蒸釜轴封部位的剖分式无油润滑密封装置，并于2003年对剖分式机械密封进行了工程试验与应用研究， 并指出当前的完全剖分式机械密封只适用于低参的工况， 要提高其工作参数， 还需更为深入的研究；2007年艾志工业技术集团公司报道了其成功地将chesterton442剖分式机械密封用于出口压力0.5 mpa， 温度小于50 ℃工况下的冷却循环水泵的情况；杨启明等于2008年对反应釜用剖分式机械密封进行了设计研究，并利用有限元法分析了辅助密封圈的应力应变状况，提出了两种分型面连接结构。在国外，日本的nagai yataro等于1991年发明了带有剖分环的机械密封；bessette等于1997年发明了完全剖分集装式机械密封；德国burgmann公司在2003年生产出产品并应用于水处理、制浆和发电等工业装置中，这是剖分式机械密封第一次获得真正的应用；2007年美国的giard发明了剖分式机械复合密封装置，同年boyson提出了离心流体装置用剖分式密封技术的可靠性问题，指出要使得剖分式密封能被广泛使用， 需要寻找更大的密封压力适用范围。

2.机械密封变形的数值分析研究现状

密封端面变形的数值计算及控制对提高设备的密封性能具有重要影响。通过查阅文献可以发现，密封工作者们在机械密封数值计算方面已做了大量深入而广泛的工作。在国内，合肥通用所李鲤等于2001年以同一动环、不同结构静环组成的7对摩擦副，研究了不同结构的静环在介质压力、温度等作用下的变形规律，从而在端面上引入了虚拟的杆元，建立了计算密封环端面变形的轴对称模型，使得机械密封环端面变形研究的课题取得初步成果；2002年，洪先志提出了基于壳体力矩理论计算密封变形的方法，建立了用于解力学模型的密封环力变形壳体理论，提出了计算原理及方法，并编制了相应的计算程序，实现了求解密封环端面力变形的精确解析解，并通过大量算例与有限元解进行相互比较、验证，证明了该方法的正确性及可靠性，同时还利用壳体力矩理论对一些机械密封的结构进行了改进与试验，取得了良好的效果；同年，石油大学顾永泉教授以及四川大学的洪先志、董宗玉在研究机械密封端面力变形的解析计算时，提出了应用壳体力矩理论求解密封环端面力变形的解析解方法，并编制了相应的计算程序，同时用实例对解析解和有限元解做了相互验证，得出应用筒壳力矩理论计算密封环端面变形是一种可靠、简便、易于优化的方法，为后续设计出合理密封结构，减小端面变形，提高密封性能打下了良好的基础;2003年，张宝忠、肖敏通过对内置式机械密封变形的分析与计算，指出了密封环变形对密封性能的影响，提出了改进机械密封的方法即采用弹性模量大、热膨胀系数小和导热系数高的材料、提高润滑度等；2004年，中国石油大学的蔡永宁以lst-ms密封环变形的研究模型为基础，通过采用fem求解雷诺方程获得密封端面流体压力分布，计算了不同结构和约束静环下lst-ms密封环的变形以及端面泄漏量、液膜刚度和刚漏比等密封参数，分析了变形对密封性能的影响。国外在密封环变形研究方面的工作开展得较早，无论在基础理论研究，数值计算以及实验手段等各方面都处于领先地位。1961年，mayer提出在外力和温度场的作用下，密封环将发生变形，端面间流体膜的几何形状会随之而改变，严重影响密封性能；1976年，li利用fem计算了机械密封的变形问题；1984年美国gominho在高压动密封零件变形和失效的研究中指出在高压工况下，密封主要的失效形式是环表面早期龟裂及环过度的弹性变形导致密封环从镶嵌环座中脱落，并利用有限元分析结果给出了四个无量纲临界密封参数的设计公式；1986年，dous介绍了一种新的计算机械密封变形的方法-边界元法；1999年，banet利用fem，采用三角形单元计算了高压离心压缩机活动轴封的力变形；2000年，chelaar提出了热弹性密封端面变形的分析模型，并用fem进行了数值分析，同时将结果与所建立的热弹性分析模型的计算结果进行了比较分析，认为方法简单且准确。

综上所述，机械密封变形的数值分析研究对于提高机械密封的性能、正确选择密封方式、改进机械密封结构具有重要的意义。

3. 研究的基本内容与计划

本次研究要求以ansys分析软件作为主体，辅助以pro/engineer软件建立剖分式机械密封结构的三维模型，然后用ansys软件进行分析，并根据得出的数值结果进行比较分析，获取机械密封端面和剖分面的变形情况。

进度计划：

a）用3周时间查阅资料了解剖分式机械密封的基本结构和工作原理，学习国内外关于机械密封数值分析的研究报告，掌握国内外相关研究的动态，完成开题告。

b）用8周时间完成外文翻译，用pro/e软件进行三维建模，学习用ansys软件进行有限元分析，然后将建立的模型导入ansys中进行数值分析，得出在不同介质压力、螺栓预紧力作用下机械密封端面和剖分面的变形情况

4. 研究创新点

ANSYS是国际公认的工程仿真及校验工具，用其进行模拟数值分析得出的结论对后续的分析过程具有指导性作用，而且能充分节约资源，减少工程人员的计算量，方便快捷。