摘 要：为了研究真空腔体环境中O型圈和燕尾槽结构的密封性能和密封作用面位置，首先介绍了O 型圈在腔体密封中的广泛使用的现状,以及在MOCVD 设备中的使用，接着介绍 O型圈密封机理和失效准则，最后使用 SolidWorks 商用软件对其进行建模分析。文章最后验证O 型圈和燕尾槽结构的密封作用面位置能够起到良好密封作用，并且密封作用面为法兰上下面，为加工密封法兰提供指导。
关键词：燕尾槽; O 型圈;SolidWorks 有限元;压缩率
O 型密封圈是机械设备中经常用到的一种密封件，它在船舶、机床、汽车、航空航天设备以及各类仪器仪表上，都有着广泛的应用，这主要是因为O型密封圈具有结构紧凑，制造简单，可反复拆卸安装，密封效果好，成本低廉等特点，是一种适应性很强的密封件。尤其在真空设备中，O型密封圈的密封性能的好坏将对系统的安全性与可靠性产生重大的影响。O型密封圈在使用时受到挤压，产生一定的压缩变型，通过压缩回弹力的作用与法兰上下表面接触，可以达到密封的目的。
本研究主要结合工程中遇到的问题，介绍真空腔体燕尾槽中O型圈的使用，探究O型圈和燕尾槽密封结构中的密封面位置。
1 、O型密封圈的密封机理和失效准则
为了说清O型圈的密封机理，我们参考以下两个图进行说明。图1中显示的是O型圈在预压状态下的受力示意图，可以看到，此时O型圈上接触压力受力是不均匀的，压力值最大处为P0;图2工作时，O型圈在内压力P的作用下移动到下法兰的一边，O型圈的形状也发生变化，其接触压力也发生变化，最大接触压力Pm大于内压力P，所以这种密封情况下不会泄露，这就是O型圈密封的原理。
关于橡胶O型圈失效的准则和失效判断，目前普遍采用的是最大接触，应力和转角剪切应力两个准则：
(1)最大接触应力准则
O型橡胶密封圈在工作状态下接触应力σmax 是失效准则和失效判据的首要条件，如果σmax 的值小于工作压力，则会造成流体外泄，密封失效，所以最大接触应力准则即保证密封需满足条件：σmax≥P 。
(2)转角剪切应力
密封沟槽的槽口转角处的剪切应力达到最大值，如果该剪切力超过O型圈橡胶的剪切强度的话，则O型圈在此处会被撕裂，严重的话甚至会被剪断，完全失去密封性能，造成严重后果。
图1预压缩状态下O型圈截面状态
图2工作状态下O型圈截面状态
2、工程实践应用
金属化合物气相沉积(MOCVD)是生长制备高质量的III族和VI族薄片单晶的设备，其具有几个显著特点：可以按任意比例合成人工材料;可制成大面积均匀薄膜;纯净的材料生长技术;灵活的气体源路控制技术，所以MOCVD是化合物半导体器件的重要生产设备。 在MOCVD设备中，反应腔体是气体进行化学反应的场所，是决定着薄膜生长质量的关键因素，是整个设备的核心部件，生长过程需要一个严格的密封环境。所以反应腔体的密封性能好坏，直接影响薄膜生长质量的优劣。笔者所在的团队在研制MOCVD过程中，反应腔体需要良好的密封性能，在实践中我们选用了具有良好耐热性、气密性、耐磨损性能的丁腈橡胶O型圈进行密封，使用的环境是腔体内负压最大值0.1MPa，密封所要达到的目标式氦质谱检漏仪检测下泄漏率小于1e-9atm.cc/s。
在笔者实际使用的MOCVD设备中，腔体是需要经常开启、闭合的，所以选择密封性能更好的燕尾槽。O型圈装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量，根据《真空设计手册》 的设计原则，对O型圈进行预拉伸，避免在安装过程中划伤。所以拉伸量值的选取同样对O型圈的寿命和性能有影响。在本研究的真空腔体环境下，通过用不同规格的O型圈进行反复做实验，笔者确定了符合密封性要求的燕尾槽规格和O型圈规格。根据笔者经验，丁腈橡胶O型圈的拉伸率可以取10%左右。O型密封圈是典型的挤压型密封，所以O型密封圈截面直径的压缩率是O型密封圈设计的主要内容，因此对密封性能和使用寿命有重要意义。压缩率的通常用公式(1)表示：
式中，d为O型圈在自由状态下的截面直径;h为O型圈沟槽底与被密封表面的距离，也即压缩后O型圈的截面高度。
压缩率大就可以获得大的接触压力，但过大的压缩率无疑就会增大永久变形，出现裂纹，造成系统泄漏;而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O型圈的误差不符合要求，消失部分压缩量而引起泄漏。因此在选择O型密封圈的压缩率时，要权衡各方面因素，对于平面静密封一般取W=15%~30%。
在实际使用过程中，O型圈的压缩量和拉伸量是由密封沟槽的尺寸决定的，O型圈选定后，其压缩量、拉伸量及其工作状态都由密封沟槽决定，所以密封沟槽对O型圈密封的密封性和使用寿命有着重大影响。
在实际使用O型圈进行密封的过程中，需要了解究竟是哪个地方起到了密封作用，是法兰的上下面还是法兰侧面，这个问题是本文重点考虑的问题，它关系到我们在加工法兰的时候我们需要进行精细加工的地方。在加工过程中燕尾槽的侧面存在加工难度，如果燕尾槽侧面对密封效果起很大的作用，加工低粗糙度的燕尾槽侧面提高了加工成本，那么在设计密封方案的时候需要重新考虑。本文的目的就在于找到O型圈和燕尾槽结构中的密封面位置，为加工制造提供依据。
3 有限元建模及分析
笔者使用SolidWorks自带的simulation仿真模块进行建模和计算。SolidWorks仿真分析的优势在于其所有仿真工具都完全内置在SolidWorks设计环境中，实现设计仿真一体化的产品研发。这些仿真分析功能互相之间也可以完全集成，共享熟悉的工作流程、命名约定和命令，可以根据需要进行功能组合实现多学科协同仿真。
3.1几何建模
在笔者的实际应用中，使用到了下面规格的O型圈：初始截面直径为8mm，经过拉伸后的截面直径为7.5mm。由于模型流体内压力和压紧力的对称性，仅对其一部分(角度为2度)进行分析，如图3所示，去其完整模型的部分结构进行建模仿真。
图 3几何模型
3.2物理模型
针对该物理场景，做出以下基本假设：
(1)由于钢构件构成的密封槽壁刚度是橡胶的几万倍，所以上下法兰视为刚体边界;
(2)视O型圈的橡胶材料为不可压缩;
(3)橡胶密封圈及接触边界均按轴对称问题处理。
目前工程上主要是以连续介质力学为基础，橡胶材料被认为是超弹性近似不可压缩体，其力学模型表现为复杂的材料非线性和几何非线性。国内外学者提出给予统计热力学的Heo-Hookean应变能函数、指数-双曲(exponential-hyperbolic)法则以及给予连续体的表象学方法的Mooney-Rivlin、 Klosenr-Segal模型等。目前应用比较广泛的是Mooney-Rivlin模型，本研究中将O型圈看作超弹性体处理，对应的应变能密度函数为：
式中，W为应变能密度;
I10、I01 为第一、第二应变张量不变量;
C10、C01 为 Moony-Rivlin模型系数。Mooney-Rivlin是一个比较经典的模型。用它几乎可以来模拟所有的橡胶材料的力学行为。
3.3有限元分析
使用3.2中的物理模型进行有限元分析，涉及到的材料参数如表1所示。
表 1模型中的材料参数表
首先进行网格划分，对模型进行网格划分结果如图4所示。
这个模型中，下法兰完全固定，上法兰给定位移，以此来模拟密封过程，添加不同位移仿真O型圈产生不同的压缩率，在求解分析过程中，施加的载荷：
(1)上法兰约束边界位移向下，O型圈发生相应的压缩;
(2)O型圈的左半圆施加0.1MPa的内压力，模拟工作时的压力;
分三次进行计算，分别得到O型圈的在不同压缩率下的变形和受力情况。O型圈在以下三种压缩率情况：
一是，当O型圈压缩率为10%时，O型圈变形和O型圈应力分布如图5所示;
图4模型网格
图5O型圈压缩率为10%的O型圈变形和O型圈应力分布
二是，当O型圈压缩率为15%时，O型圈变形和O型圈应力分布如图6所示;
三是，当O型圈压缩率为20%时，O型圈变形和O型圈应力分布如图7所示。
图6O型圈压缩率为15%的O型圈变形和O型圈应力分布
图7O型圈压缩率为20%的O型圈变形和O型圈应力分布
读取图5~图7中的最大接触应力，建立表3如下。
表3O型圈不同压缩率时最大接触应力值
从表3中可知，最大接触应力均远大于腔体内压力0.1MPa，根据上文提到的O型圈密封失效准则，可以看出设计的O型圈和燕尾槽密封结构能够起到理想的密封效果。而且从该表中可以看到最大接触应力位置是在法兰上下面，由此可以知道，O型圈和燕尾槽的密封结构的密封面是在密封法兰的上下面，燕尾槽的侧面基本不起密封作用。
4、结束语
从本文通过有限元分析O型圈和燕尾槽的变形和受力情况，可以得到以下两个结论：
(1)对于O型圈密封，密封槽采用燕尾槽时，起密封作用的是法兰的上下表面，燕尾槽的侧面几乎没有起任何密封作用。所以在加工密封法兰时，要严格保证上下面的粗糙度，对难以加工的燕尾槽侧面粗糙度没有特别要求;
(2)虽然在本研究中，O型圈根本就没有与燕尾槽的槽口进行接触，但为了避免在安装和使用过程中槽口划伤O型圈，所以在加工时，燕尾槽槽口进行倒角，倒角半径取0.5mm。
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