船舶上层建筑气密门的变形及气密性分析.docx

本科生毕业设计[论文]

船舶上层建筑围壁气密门的变形与气密性分析

指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
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评阅教师评阅书

评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
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教学系意见：
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摘 要
船舶上层建筑围壁气密门的气密性分析是现代很多船舶建造中一个重要的课题。例如今年来国内船厂纷纷转型，将目光由低附加值的散货船转移到了高附加值的液化石油气船(LPG)、液化天然气船（LNG），而这两种船型就对上层建筑的气密性有很高的要求。无论是从经济还是安全的角度考虑，上层建筑的气密性都非常重要。所以如何合理科学的设计上层建筑围壁气密门具有重要的意义。
本文将从结构变形方面对船舶上层建筑围壁气密门的气密性进行研究，首先建立了气密门所在的围壁的有限元模型，分析其静力变形。而后，建立了气密门局部有限元模型，根据气密门的相关规范，分析气密门受压的力学特性。对门板和密封条进行接触分析，分析各相关参数对气密性的影响，结果表明在给定的工况条件下，该气密门达到了气密性要求。
关键词：气密门；船舶上层建筑；变形；气密性

Abstract

Key Words：

目 录
摘要
Abstract 绪论
1
1
2
4
7
有限元 12
12
13
15
气密门的有限元静力分析
16
16
18
21
24
28
气密门的有限元接触分析 29
31
32
33
总结
致谢参考文献

1 绪论
1.1 课题来源
气密门是集气密，隔音、保温、抗压、防尘、防火、防辐射于一体的平移式套装门。门体四周装有专业的真空气密胶条、采用独特的紧压技术，保证当门闭合时能与门框紧密配合达到可靠的气密效果。一般用于航空航天工程、船舶工程、机械工程等对隔音、隔热、气密性要求较高的地方，如飞机舱门，核电站，船舶上层建筑中都有用到气密门。
密封是民用和军用领域所必须的一门通用技术，如今随着科学的迅猛发展，许多地方对室内的气密性要求越来越高，保证气密门的气密性，是防止设备舱室内漏气或失压的重要保障。气密门不仅关系着机械能否正常作业，而且关系到系统整体的安全。对于一些有气密性要求的军用和民用船舶，气密门的设计安装的合理性显得尤为重要。因此，对于船舶上层建筑的气密门的变形及其气密性分析的研究具有重要意义。
1.2 目的及意义
在工业生产和自动控制中，常常需要等模拟量进行检测和监控。对飞机来说，各种参数和性能的监控和把握更是重要。其中，飞机的气密性直接关系到飞机的空气调节系统和飞机的安全性，是飞机关键的性能指标之一。随着科学技术的进步和工业生产的发展，对产品和设备气密性的要求也越来越高。因此，除了设计和加工过程中应采取有效措施，防止泄漏隐患外，在设备的生产、组装、调试及使用过程中，还要运用有效的泄漏检测手段，将不允许存在的漏孔找出来，以便进行修补。设备或器件因功能不同，泄漏的大小、部位和泄漏的物质不同，泄漏所带来的危害程度和危害表现也就不同。泄漏的危害性主要表现在以下几个方面:破坏真空设备或真空器件的工作真空度;破坏仪器设备内部的工作压力;使储存的高压气体或燃料损失;对器件内部气体进行污染;造成产品失败等。
船舶上层建筑围壁气密门的气密性分析是现代很多船舶建造中一个重要的课题。例如今年来国内船厂纷纷转型，将目光由低附加值的散货船转移到了高附加值的液化石油气船(LPG)、液化天然气船（LNG），而这两种船型就对上层建筑的气密性有很高的要求。无论是从经济还是安全的角度考虑，上层建筑的气密性都非常重要。所以如何合理科学的设计上层建筑围壁气密门具有重要的意义。
1.3国内外基本研究概况
由于目前对于船舶气密性研究的资料较少，此处参考航空领域关于气密性的相关研究。
现代飞机普遍采用密封舱设计。机身气密舱设计包括结构密封设计和舱门密封设计，其中舱门密封设计是密封舱设计的关键。随着飞机性能的提高，高空高速的飞机对气密舱的要求也相应提高了很多，舱门的密封问题在气密舱设计中显得更为突出。
飞机舱门的密封是防止舱内漏气或失压的重要保障。气密性能与密封结构的设计密切相关。由于制造误差、安装同轴度以及使用过程中的磨损等因素，将导致密封结构的实际位置与设计值存在随机偏差，这种离散性威胁着舱门的气密可靠性[1]。
密封带是一种能够发生大变形的高弹性橡胶材料[2]，其压缩变形特性对舱门整体的气密刚度起主导作用，是选型的重要依据之一。已经有很多学者利用有限元分析方法分析了实心橡胶圈 的压缩应力特性[3-5] ，研究对象涉及指尖密封、Ｏ型密封，球型密封等。在密封材料性能、仿真以及结构参数对密封性能的影响分析方面进行了十分有益的尝试[6-9]。西北工业大学刘伟等人采用可靠性思想分析飞机舱门密封结构参数对密封性能的影响。对两种型号的舱门密封带进行整体规格的压缩实验，拟合成Ogden模型代入有限元计算获得门体与门框的二次接触力的隐式响应关系。将关门行程、 装配尺寸、 挡件尺寸等视为随机变量， 采用Monte Carlo法对两种密封带的气密可靠性进行比较， 得到了密封结构参数的均值灵敏度和方差灵敏度， 对舱门密封带选型与结构的优化设计提供参考[10]。西北工业大学的张浩等人在阐明飞机舱门系统启动工作原理的基础上， 重点考虑舱门所需克服气密载荷产生的密封带摩擦力的大小及其分散性的影响， 构建了舱门意外打开及启动的可靠性分析模型， 提出了相应的基于气密载荷作用的飞机舱门可靠性分析方法。以某型飞机舱门机构为例， 作了具体的算例阐明， 分析方法与结果可为舱门设计提供参考[11]。
舱门密封设计是飞机密封舱设计的重要组成部分，舱门密封性能的影响因素很多,以前研究的资料表明影响舱门的主要因素可概括为：结构刚度、铰链形式和锁闩布置、密封件形式、制造装配工艺[12]。这其中结构变形是影响密封性能的主要原因之一。门区为机身高应力区域，主要承受机身轴向力，机身弯矩、扭矩引起的机身剪流，舱内增压产生的压差载荷以及舱门在压差载荷作用下传递给门框的集中载荷。舱门只承受压差载荷。在设计时，舱门和门区结构应按刚度设计，避免承载后结构发生变形，变形量大小应按照结构密封形式确定。本次课题主要研究结构刚度对气密性的影响。

2 气密门所在围壁的有限元分析
2.1软件介绍
本文所有结构的有限元计算分析全部在MSC.Patran和Nastran中完成，其中Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理和分析仿真系统，是工程应用中比较著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统之一，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的CAE集成环境。Patran可以在大多数的工程应用中实现从设计到制造全过程的产品性能的仿真[13]。另外，Patran可以读入CAD几何模型，并可以对其进行编辑。这为一些复杂实体模型的建模带来了很大的帮助，例如本文中的密封条的实体建模便是在CAD中完成，然后保存为SAT文件，导入到Patran中进行编辑。Nastran是一个大型的结构有限元分析软件，具有开放式的结构，Nastran中有近70余种单元独特的单元库。所有这些单元可满足Nastran各种分析功能的需要，且可以保证求解的高可靠性和高精度。模型建好后，Nastran即可进行分析，如动力学、非线性分析、灵敏度分析、热分析等。本文中主要应用到的有线性、非线性静力分析和动力学分析。非线性静力分析，即几何大变形非线性、塑性和蠕变等材料非线性及考虑接触状态的边界非线性等。
Nastran的静力分析功能支持全范围的材料模式，包括各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等。主要的分析类型除了常规的静力计算外，还包括了惯性释放静力分析，既考虑结构的惯性作用并计算无约束自由结构在静力载荷和加速度的作用下产生的准静态响应；屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷等问题[13]。Nastran屈曲分析包括线性屈曲分析，又称为特征值屈曲，可以考虑固定的预载荷，也可以使用惯性释放功能；非线性屈曲，可以考虑包括大变形几何非线性、材料非线性的弹塑性失稳分析和非线性后屈曲分析。Nastran具有强大的动力学分析功能。与静力学分析不同，结构动力分析常用来确定随时间或频率变化载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑各种阻尼和惯性效应的作用。Nastran动力学分析功能包括正规模态分析、复特征值分析、频率及瞬态响应分析、随机响应分析、冲击谱分析、动力灵敏度分析、声学分析等[13]。振动中小以及超大型问题不同的解题规模，用户可选择Nastran不同的动力学方法加以求解[13]。
2.2有限元建模
为了使计算结果具有说服力，本文选取22个集防区中围壁面积最大的典型区，层高2700mm，围壁结构尺寸：板厚t=8mm，#88-#95肋位7×700=4900mm，纵骨位于围壁中间，肋骨位于#91和#93肋位处，取。压差500MPa，在有限元计算时，采用毫米制单位网格大小50mm。由于没有考虑围壁上的小骨材作用，所以本文采用的是一种偏危险的计算方式。围壁边界有大骨材连接，其对围壁的约束介于简支和固支约束之间，为增强说服力，本文将两种约束分别计算。
先建立几何模型，围壁几何模型如图1，横骨和纵骨均采用T型材，壁板为壳结构。

图2-1 气密门所在围壁的有限元几何模型

建立完几何模型后，先定义材料，这里壁板和T型材都是同一种材料，在Material Name面板中输入材料名称，单击Input properties按钮，开始打开输入选项面板，在本构模型选项中选择Linear Elastic，输入弹性模量、泊松比0.3和密度，单击OK。
检查材料属性：依次设置Action=Show, Object=Isotropic, Method=Tabular,在Existing Materials 中选择刚创建的材料名称，在弹出的材料属性面板中选择Show Material Stiffness...选项，弹出材料刚度矩阵，如图2-2所示。

图2-2 材料的刚度矩阵
第二步进行网格划分，先对线网格划分。选择Meshing,在Finite Element页面，依次设置Action=Create, Object=Mesh, Type=Curve,在Tepology选项中选择bar2，在Curve List中选择Curve1,5,6,在单元尺寸选项中勾掉Automatic Calculation选项，在Value选项中手动输入单元尺寸为0.1，点击Apply，生成网格。然后对面进行网格划分。在Finite Element页面，依次设置Action=Create, Object=Mesh, Type=Surface,在Elem Type选项中选择Quad,选择Isomesher网格生成器，拓扑类型选择Quad4, 在Surface List中选择Surface1,2,3, 在单元尺寸选项中勾掉Automatic Calculation选项，在Value选项中手动输入单元尺寸为0.1, 点击Apply，生成网格。
第三步定于单元属性，先定义壳单元属性。按下Properties菜单下的Solid按钮。在主菜单上选择Action=Create, Object=2D, Type=Solid。 如图2-3所示，在Property Set Name文本框中输入shell。点击Input Property...按钮，打开如图2-3右边所示的Input properties对话框。点击Material Name右侧的按钮，打开Select Material窗口，点击选择列表中的Steel,在Thickness后输入板厚8mm。点击OK按钮退出页面。

图2-3 Element Properties页面和Input Properties页面
如图2-4所示，点击Select Appication Region...按钮，打开如图2-3右边所示的Select Application Rejion页面。点击Select Members输入框，在Picking Filters工具栏中点击Shell element按钮，在图形区域内框选全部单元，点击Add按钮，添加至Application Region中，点击OK按钮退出页面。如图2-3右边所示，点击Apply按钮，完成壳单元的定义。

图2-4 Select Application Rejion页面
然后按照上面定义壳单元类似的流程定义梁单元，不同的是需要定义梁截面形状。如图2-5所示在Input Properties页面里，点击下面Create Sections进入Beam Library 页面，如图2-6所示在New Section Name中输入截面的名称sec_T, 在右边依次输入T型材的尺寸参数:W=120,H=254,t1=10,t2=8，然后点击左下方的Calculate/Display按钮，计算截面的形心如图2-7所示,,记下VERT.=170，回到Beam Library页面，点击OK，回到Input Properties页面设置两单元的偏移量，在Bar Orientation中输入<0 -1 0>,在Offset @ Node1中输入<0 -170 0>，在 Offset @ Node2中输入<0 -170 0>，点击OK完成设置。

图2-5 梁单元设置Input Properties页面

图2-6 梁单元设置Beam Library页面

图2-7 梁单元截面计算结果
第四步设置边界条件和加载，点击Laods/BCs按钮，在Laod/Boundary Conditions页面中依次设置Action=Create, Object=Displacement, Type=Nodal, Option=Standard,在New Set Name框中输入要定义的边界条件名称fied,单击Input Data...按钮，平移输入框中输入<0 0 0>表示将三个平移自由度全部约束，（四边固支时再在旋转输入框输入<0 0 0>表示将三个旋转坐标全部约束），接着打开Select Application Region...按钮，选择施加边界位移条件的方式为FEM，拾取四边的节点，如图2-8所示。同样类似步骤可以在围壁面上加载0.2MPa均布载荷。

图2-8 位移边界条件的数据输入及应用区域选择设置
完成有限元建模，边界简支的有限元模型如图2-9和2-10所示。

图2-9 边界简支有限元模型
图2-10 加载0.5MPa压力示意图
2.3有限元计算
2.3.1 边界简支
T型材和围壁的材料均采用合金钢，设置材料弹性模量为MPa,泊松比为0.3，密度为。然后对围壁板四周所有节点施加三个方向的平移约束。采用线性静力学分析模块。

图2-11 边界简支变形示意图

图2-12 边界简支应变示意图
2.3.2 四边固支
同样T型材和围壁的材料均采用合金钢，设置材料弹性模量为MPa,泊松比为0.3，密度为。然后对围壁板四周所有节点施加6自由度全约束。采用线性静力学分析模块。

图2-13 四边固支变形示意图

图2-14 四边固支应变示意图
两种不同的边界约束其变形分布基本相同，只是数值的大小不一，而由于处理边界时存在应力集中，所以本文计算的应力值大小于实际参考意义不大。
2.4结论

表2-1 两种边界条件变形应力对比分析
边界条件
最大变形mm
最大应力MPa
边界简支
0.716
0.678
边界固支
0.386
0.514
由上表2-1对比结果可知，两种约束下围壁的最大变形在0.386-0.716mm之间，而围壁尺寸为2.7×4.9m，在局部分析上，变形比在0.0786%-0.0264%之间，远小于《钢制海船入级规范》要求的1/500内变形。可见船舶上层建筑内外压差的作用对围壁变形的影响很小。开口装门的地方围壁面积很小，同时门的边界一般会加强，所以围壁变形会更小。所以在做船舶上层建筑气密门变形分析时，相对于镶嵌在门框上的橡胶密封条的大变形，船体板及门框的变形可以忽略不计。

3 气密门的有限元静力分析
3.1计算理论
3.1.1 基本数据

该文气密门的参数主要参考于《中华人民共和国船舶行业标准——气密门》，根据相关要求，这里选取A型气密门。从规范中获取其参数如下:
表3-1 A型气密门特性
型式
名称
开启方式
门板材料
气密性能
压力差维持值
Pa
A
侧开式
充气密封条密封
气密门
左开（L）
右开（R）
不锈钢（N）
铝合金（L）
500

表3-2 A型气密门尺寸
通孔尺寸（mm）
围壁开口尺寸（mm）
门扇外形尺寸（mm）
重量（kg）

R

不锈钢
铝合金
1600×600
100
1685×685
142
1630×630
115
64
44
1650×650
100
1735×735
142
1680×680
115
70
48
1700×700
100
1785×785
142
1730×730
115
78
52
1750×700
100
1835×785
142
1730×730
115
80
54
1700×750
100
1785×835
142
1780×780
115
83
56
1750×750
100
1835×835
142
1780×780
115
85
59
1800×750
100
1885×835
142
1830×780
115
87
62
1800×800
100
1885×885
142
1830×830
115
92
66

表3-3 气密门的主要零件材料
零件名称
材料
牌 号
标 准 号
门框
LF5
GB 3380-83
窗玻璃
钢化安全玻璃
——
门锁
钢合金或不锈钢

门框
LF5
GB 3380-83
上下导轨
0Cr19Ni9
GB 3280-84
滚轮装置
组合件
——
橡胶垫料
氯丁橡胶
——
充气密封条
按3.1.2密封条理论

图3-1 气密门结构图
1- 门板；2-矿棉；3-充气密封条；4-橡胶垫料；5-铰链；6-门框；7-减压阀；
8-二位三通控制阀；9-锁；10-放水阀

3.1.2 密封条理论
密封条的剖面形状和尺寸如图3-2所示。

图3-2 密封条剖面图
密封条充气工作压力为0.2MPa，充气后密封条呈凸形，空气泄放后自然恢复成凹形。密封条的物理性能符合表3-4的规定。
表3-4 密封条物理性能要求
项 目
性能指标
硬度（邵氏）
50~55
扯断强度，MPa

扯断伸长率，%

压缩永久变形，%

老化系数（70℃、72h）

耐油，%

脆性温度
-40
氧指数

由于密封条采用橡胶材料，其特性非常复杂。在有限元建模中，对于橡胶材料的有限元分析，目前最为流行并且广泛应用的是Mooney-Rivlin模型。本文也将采用二参数Mooney-Rivlin模型。其参数确定主要有一下两种方法：
1）实验方法[14]确定二参数Mooney-Rivlin模型的常数、。
二参数Mooney-Rivlin模型应变能密度函数为:
(3-1)
对于单轴向拉伸，有:
， (3-2)
不可压缩橡胶材料的主应力与主应变和主伸长比与不变量的关系分别为：
(3-3)
结合以上公式可以求得：
(3-4)
根据实验测试不同拉伸比下的应力值，然后以为横坐标，以为纵坐标，把试验点表述在相应坐标系中，并把这些试验点回归成一条直线，为这条直线的截距，为这条直线的斜率。
2）以上是实验的方法，常用的还有经验公式法[15]。根据橡胶元件设计中最基本的参数之一是静剪切模量，而静剪切模量又主要与橡胶的硬度有关，对于硬度相同成分不同的橡胶材料，其静剪切模量之差不超过10%。所以，我们可以根据橡胶的硬度，并结合经验公式确定二参数Mooney-Rivlin模型的常数、。
根据密封条的橡胶硬度HA（邵氏），将其代入下式：
(3-5)
橡胶材料的弹性模量与 Mooney-Rivlin模型的常数、有如下关系：
(3-6)
根据法国PAULSTRA公司给出的不同橡胶硬度下支座的载荷—变形曲线进行有限建模，并与实测值对比，以确定不同硬度下材料常数的最佳取值[16]。3种橡胶硬度C01/ C10值分段进行线性拟合，可以得出各个硬度下C01/ C10的值。
表3-5 不同硬度下橡胶材料的C01/ C10值
橡胶硬度HA（邵氏）
40
60
70
C01/ C10
0.102
0.06
0.035
由式（3-5）、式（3-6）和表3-5，计算得到不同橡胶硬度下Mooney-Rivlin模型的材料常数、，如下表3-6所示。
表3-5 不同硬度下橡胶材料Mooney-Rivlin模型的材料常数、
橡胶硬度HA（邵氏）
C01/ C10
C10/ MPa
C01/ MPa
40
0.102
0.2563
0.0262
60
0.06
0.5685
0.0346
70
0.035
0.8923
0.0312
73
0.0252
1.0394
0.0265

根据上述密封条的橡胶材料参数要求计算得出和的近似值分别为0.8和0.03。
3.2 有限元建模
具体的一些建模操作步骤在第二章中已有详细说明，这里就不赘述了，仅就建模思路进行分析。
对于气密门，这里只关心密封条与门板的接触变形问题，忽略气密门上的门锁、铰链、放水阀等部件的影响，建模时将这些部件忽略后，剩余的门板和密封条是一个上下、左右均对称的结构，是建模时只取气密门的进行建模分析。
为了清楚地分析橡胶条的变形，橡胶条采用实体模型建模，而橡胶条形状不规则给建模带来了很大的困难。于是对于橡胶条实体这里采用了CAD建模，再导入Patran的方法。

图3-3 密封条CAD实体模型
图3-4 气密门有限元模型
其中角钢采用合金钢，其弹性模量为2.1×104MPa，泊松比为0.3，界面尺寸为。门板采用铝合金，板厚取1.2mm，弹性模量为7×104MPa，泊松比为0.33。
密封条的材料为橡胶，定义基于Mooney Rivlin 模型的超弹性材料，在材料属性输入界面，依次设置Constitutive Modle（本构模型）为Hyperelastic（超弹性），Compressibility（压缩系数）为Nearly Incompressible Data（几乎不可压缩的数据），Type（类型）为Coefficients（系数），Strain Energy Potential（应变势能）为Mooney Rivlin MATHE。在Strain Energy Function（应变能函数）, C10和Strain Energy Function, C01文本框中输入数值80和20。在定义密封条单元属性时，在Options选项中，依次设置为Plane Strain（平面应力）和 Hyperelastic Formulation（超有弹性方法）。
划分网格时，对于面与面接触和弧形面处进行局部修整，橡胶条属于大变形体，采用网格大小为5mm的四面体单元,选用“TetMesh”网格生成器来划分，如图3-5所示。

（1）

（2）
图3-5 网格划分局部放大图
门板选用shell单元，整个板面分为四部分进行网格划分，其中有弧形边的面处细化网格。

图3-6 密封条网格划分图
密封条截面不规则，且存在弯曲拉伸，实体模型上有很多小曲面，网格划分比较困难，为了保证能得到密封条良好的变形图，这里统一采用比较小的网格大小5mm进行划分。

图3-7 加载0.2MPa压力和边界约束示意图
3.3 分析计算
Nastran 支持的所有结构分析类型，包括线性静态、非线性静态、正规模态、屈曲、复特征值、频率响应、瞬态响应、非线性瞬态响应等。根据密封条的材料特性，这里分析类型设置为非线性静态。分析计算得出密封条的位移分布云图如图3-10所示。

（1）

（2）

（3）
图3-10 密封条变形示意图
3.4 结论
由位移分布云图可以明显看出，最大变形发生在两端凸出的顶部，为19.8mm，但是由于这是四分之一的密封条，两端设有对称边界条件，故两端的变形不作为分析重点。其它截面变形全部一致，都发生在密封条截面的中间，最大变形在14.5mm-15.9mm之间，而门板与自然状态下的密封条最大间隙是9mm，所以密封条充压变形后与门板接触形成挤压。
同时通过位移分布云图也可以看出，变形后的密封条穿透了门板，既密封条应该与门板紧密接触在一起了，因此我们便可以得出该气密门已经到达密封。
理论上，若门处于关闭状态，密封条充气压后，发生大变形，然后会受到门板的挤压。考虑到如果将非线性静力分析和接触分析放在一起做，在属性定义和分析类型的设置上会较为复杂。本文所采用的一个思路是截取密封条的一段进行分析，其有限元模型如图3-8所示。

图3-8 一段密封条有限元示意图
其中，门板只取一个几何面，作为刚性接触体，接触条件选为运动控制，设置X、Y、Z三个方向的位移均为0。密封条作为变形接触体，内表面加载0.2MPa工作压力，外表面除了与门板接触的面之外，另外三个面均约束其X、Y、Z三个方向的平动。理论上，这里既有受力变形又有运动压缩变形，但由于运动位移为0，所以分析类型还是选为非线性静态分析，只是将Slotion Sequence设置为SOL400。（实际上，这里若选择接触分析中常用的瞬态分析，是无法计算出结果的。）得出分析结果如图3-9所示：

图3-9 接触分析位移分布云图
从位移分布云图中可以看出，其最大变形发生在密封条截面近门板侧的中间位置，为19.3mm，若与后文的没有设置接触体的密封条整体变形比较发现，最大变形几乎一样。从图中看到变形后的密封条既没有穿透门板也没有接触门板。但从变形的数值上来看，它的变形应该已经超过了门板所在的位置。此处考虑是由于设置了刚性接触体造成的，又因为分析类型限制，其位移分布云图也不能很好地表现出密封条和门板的接触状态。所以这种思路的计算结果并不能很好地得到密封条加载工作压力后的变形形状和密封条与门板接触的状态。这里将其列举出来只是为后面的分析作为一个参考。
另外一种思路是分两步进行分析，第一步先假设密封条充气时门是开的，密封条充气压，对其做非线性静力分析。第二步，将门闭合，门作为刚性接触体挤压密封条，进行门板与密封条的接触分析。本文将选取这种思路进行分析计算，其中第二步的接触分析将在第四章中做详细介绍。

4 气密门的有限元接触分析
4.1理论介绍
接触问题是工程实际中常见的问题，它是典型的非线性问题。用经典的数学方法和力学方法对大多数接触问题都很难精确求解，因此需要用数值方法来求解。这其中有限元方法又是最为有效的数值方法。人们对于接触问题的研究很多，早在1882年，H.Herz就对弹性体的接触问题做了一系列的研究，并提出了经典的Herz接触理论。赫兹理论以接触疲劳为主要失效形式，对点接触情况给出了一套完整的理论解，对线接触给出了部分理论解[17]。接下来Boussinesg等其他学者又在此基础进一步发展了该理论。但他们都是采用一些简单的数学公式来分析接触问题，所以只能应用在一些接触状态不复杂的问题上。对于复杂的非线性接触问题，如大变形、弹塑性问题，工程上一般采用有限元法进行求解。
在有限元分析中，接触条件是一类特殊的、不连续的约束，它允许力从模型的一部分传递到另一部分。因为仅当两个表面接触时才应用接触条件，当两个表面分开时，不存在约束作用，所以这种约束不是连续的。因此，接触是边界条件高度非线性的复杂问题。一般在工程分析和计算时会存在以下两个难点[18]：一，在求解问题之前，不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其他因素的不同。表面之间是接触还是分开是未知的，并且还可能是突然变化的。二，大多数的接触问题需要考虑摩擦，摩擦效应可能是混乱的，所以摩擦使问题的收敛性变得困难。除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等，更增加了求解的难度。接触问题一般分为两种基本类型:刚体—柔体的接触，柔体—柔体的接触[18]。
MSC.Nastran隐式非线性分析的接触算法可以处理以下三类接触体： 可变形接触体：可变形接触体是考虑接触过程中产生的变形的接触体，它是一组常规有限元的集合，可以计算应力和温度分布。刚性接触体：刚性接触体就是接触过程中所产生的变形可以忽略的实体，不计算变形和应力，接触过程中温度保持定值。允许传热的刚性接触体：允许传热的刚性接触体就是在热-机耦合分析中可以定义传热的刚性接触体，不计变形和应力，接触中考虑刚体内的热传导[19]。 MSC.Nastran在模拟接触时，在每个载荷增量开始时检查每个可能接触的节点的空间位置，看其是否位于某一接触段附近，并且离该接触段的距离是否足够近。对于二维变形接触体，接触段是其表面单元的外边界，对三维变形接触体，接触段是其表面单元的外表面。对刚性接触体，接触段是描述刚体外轮廓的曲线或表面。默认情况下，每个节点可以与其他接触体的接触段以及该节点所属的接触体的接触段产生接触。也就是说，除了探测不同的接触体之间的接触外，还允许做自身接触探测，为了简化计算，减少对不同不可能发生接触的接触探测，用BCTABLE来指明某一接触体可能与另外的那些接触体或自身接触。在接触探测时，要检查节点的运动位置，看它是否穿透了离它最近的接触段[19]。
Nastran（SOL 600）在定义接触体时，可分别给出每个接触体的表面摩擦系数，但在计算中按如下原则取摩擦系数的数值：变形体之间接触，取定义的两个变形接触体摩擦系数的平均值；变形体与刚性接触体接触，取所定义