彈簧加強金屬C 形環是一種性能優良的靜密封元件，為研究結構對C 形環力學性能以及密封面接觸特性的影響，建立彈簧加強金屬C 形環三維仿真模型，采用有限元方法分析C 形環的壓縮回彈特性。仿真結果與壓縮回彈實驗結果一致，驗證了理論模型的正確性。分析C 形環密封面上接觸區域和接觸壓力的變化規律，討論C 形環結構對密封特性的影響。真空技術網(http://shengya888.com/)認為：在相同的載荷下，C 形環卸載時的接觸區域比加載時的大，表明在卸載階段C 形環在更低載荷下即可維持同等密封效果; 螺旋彈簧使C 形環具備良好的回彈性能，能更好地應對使用工況的波動; 銀層使法蘭與密封環的接觸界面實現良好密封，合金層起保護銀層和平穩傳遞接觸力的作用。

　　金屬C形環因其在高溫高壓下具有優越的密封性能而被廣泛應用于核工業、火電、石化、冶金等行業，常見的C 形環截面結構包括兩大部分：內部是由絲材繞制而成的螺旋彈簧，作為彈性主體；外部是C 形包覆層，由里層的合金包覆層和外層的軟金屬包覆層組成，軟金屬包覆層材料具有良好的延展性，其塑性變形能充分彌補法蘭密封面的缺陷，通常采用銀或鋁等材料。

　　目前關于C 形環的研究還較為少見，早期有日本和以色列學者研究了不含螺旋彈簧的金屬C 形環的壓縮回彈特性以及密封性能，近幾年來，有德國學者將螺旋彈簧近似為等效的O 形環，建立C形環的二維軸對稱模型，研究了包覆層松弛和蠕變對密封比壓的影響；國內有學者將螺旋彈簧近似成一系列緊密并排的O 形圈，討論了結構對C 形環的壓縮回彈特性的影響。

　　綜上所述，關于彈簧加強的金屬C 形環的研究很少，相關的仿真和分析不夠完善，關于結構對密封面接觸和變形特性影響的研究還處于空白。因此，本文作者針對C 形環的結構特點，建立三維模型，運用有限元方法分析其壓縮回彈特性，并與實驗結果進行比較；進一步分析密封面上接觸區域和接觸壓力隨載荷的變化規律，闡述C 形環的密封機制，討論結構對C 形環密封特性的影響，為C 形環的選用和優化設計提供理論參考。

1、有限元模型

　　以外徑尺寸D = 318 mm 的C 形環為算例進行分析，其結構如圖1 所示，相關參數如下: 螺旋彈簧的材料為Inconel-X750，匝數N = 507，線徑Ds = 1.8mm，合金層的材料為Inconel600，厚度t1 = 0.5 mm，軟金屬層的材料為銀，厚度t2 = 0.3 mm。

圖1 C 形環結構示意圖

　　C 形環的結構沿周向具有周期性，每半匝彈簧所對應的C 形環片段即構成一個周期，但彈簧的螺旋性導致相鄰周期片段之間并不是對稱的，如果只取一個周期進行分析，邊界條件難以準確模擬。此外，彈簧之間的接觸以及材料的非線性給分析帶來了很大的困難，之前有學者將螺旋彈簧簡化成O 形管或者一匝匝緊密并排的O 形圈，這樣會增大結構的剛度和彈簧之間的接觸，使分析結果不準確，也無法獲得接觸壓力的真實分布情況。考慮到C 形環結構的周期性，為盡可能減少計算量，本文作者選取三匝彈簧所對應的C 形環片段建模，在周向邊界上近似地施加面對稱約束，得到計算結果后只選取中間的一段進行分析，以便排除邊界效應的影響。

　　用剛性平面模擬實驗臺壓縮C 形環所用的厚法蘭，有限元幾何模型如圖2(a) 所示。考慮到金屬C形環變形時材料發生塑性流動和塑性強化，采用多線性等向強化材料模型模擬材料的彈塑性。在保證計算精度的前提下劃分網格，為減小計算量，選用三維八節點六面體單元模擬包覆層，用三維十節點四面體單元模擬螺旋彈簧，用三維接觸單元模擬剛性平面與銀層之間、合金層與螺旋彈簧之間、螺旋彈簧內側之間的接觸對，在周期片段的斷面處施加面對稱約束。有限元網格模型如圖2(b) 所示，單元總數168 725，節點總數162 506。

圖2 C 形環有限元模型

　　加載時，上、下剛性平面向中心靠近壓縮C 形環，模擬預緊的過程；卸載時，上、下剛性平面距離加大，模擬法蘭面分離引起的C 形環回彈。

4、結論

　　(1) 建立了C 形環的三維真實模型，有限元仿真得到的壓縮回彈特性與實驗結果非常吻合，該有限元模型可用于預測不同尺寸C 形環的壓縮回彈性能。

　　(2) 分析了C 形環密封面的接觸特性，得到接觸區域和接觸壓力隨載荷的變化規律，并詳細闡述了C 形環的密封機制，結果表明C 形環具有良好的密封性能。

　　(3) 討論了結構對C 形環密封性能的影響: 螺旋彈簧使C 形環具備良好的回彈性能，能更好地應對使用工況的波動，銀層使法蘭與密封環的接觸界面實現良好密封，合金層起保護銀層和平穩傳遞接觸力的作用。