The application of fem in the sealing performance prediction of metal seals

Abstract

This thesis examines the use of the finite element method as a tool for predicting sealing performance. The objective of the study is to develop a workflow for incorporating a sealing component into an assembly-level finite element model. The study explores design variables that predict joint tightness and presents methods for the numerical simulation of seals. Special attention is given to metal seals, which are investigated in the computational part of this work. As a case example, the performance of a sealed joint within a ship engine is analyzed using the Abaqus simulation software.

A leaking seal is inherently problematic, with only the severity of consequences varying. In the worst case, a leaking seal can result in loss of life; a less dangerous but still serious consequence is the release of harmful substances into the environment. Nonetheless, standards governing the design of sealed joints are unfortunately limited, as they can only account for simple joint geometries and loading conditions. In many real-world cases, the use of standards is not feasible, and studies have even identified outright errors in the design guidelines provided by them. As a consequence, leveraging numerical simulation based on the finite element method as a design aid is well justified.

Performance of the studied seal is predicted by simulating the joint assembly process and operating conditions of the engine. The simulation is conducted in two stages: In the first stage, the seal’s mechanical response to deformation is determined by simulating a compression test. The load-displacement behavior, meaning the reaction force produced by the seal as a function of its deformation, is recorded and compared to experimental data. In the second stage, a simplified representation of the seal is incorporated into the assembly-level finite element model using a specialized gasket element. The stiffness of the gasket element is defined to match the load-displacement behavior determined in the first stage, enabling the prediction of the seal’s behavior under simulated conditions. This two-stage simulation routine allows for the outsourcing of the computationally intensive task —determining the seal’s compression response — to a separate analysis.

The primary result of this study is the identification of a likely cause for the sealing challenges observed in the studied example joint. It is found that the contact pressure on the seal surface exceeds the manufacturer’s recommended values during engine operation, leading to excessive plastic deformation of the seal and loss of contact pressure as the engine cools down. Including the seal in the assembly-level finite element model is observed to increase computational demand by approximately 30%.

The results of this study can be directly applied for making modifications to the case study joint. The presented computational method can also be adapted for other types of joints with minor modifications. The main advantage of the proposed method is in its flexibility: as long as the seal’s compression response can be determined — either through experimental measurement or simulation — the performance of any seal as part of a larger assembly can be assessed. The study concludes by presenting potential future developments for improving the method.

Tässä työssä tutkitaan elementtimenetelmän käyttöä tiivistesuunnittelun työkaluna. Työn tavoitteena on laatia työnkulku tiivisteen sisällyttämiseksi kokoonpanotason elementtimalliin. Työssä perehdytään liitoksen tiiveyttä ennustaviin suunnittelumuuttujiin ja esitellään menetelmiä tiivisteiden numeeriseen simulointiin. Erityisen huomion kohteena ovat metallitiivisteet, joita tutkitaan työn laskennallisessa osuudessa. Tapausesimerkkinä työssä tutkitaan metallitiivisteen sisältävää liitosta laivan moottorissa Abaqus-laskentaohjelmistolla.

Vuotava tiiviste on lähtökohtaisesti aina ongelmallinen – vain ongelman suuruus vaihtelee. Pahimmassa tapauksessa vuotava tiiviste saattaa aiheuttaa ihmishenkien menetyksen; vähemmän vaarallinen, mutta silti vakava seuraus, on haitallisten aineiden vapautuminen ympäristöön. Tiivistettyjen liitosten suunnittelua ohjaavat standardit ovat kuitenkin harmillisen rajoittuneita, kyetessään huomioimaan vain yksinkertaisia liitosgeometrioita ja kuormitustapauksia. Suurelle joukolle tosielämän tapauksia standardien käyttö on poissuljettua, minkä lisäksi tutkimuksissa on havaittu jopa suoranaisia virheitä standardien sisältämissä suunnitteluohjeissa. Elementtimenetelmään pohjautuvan numeerisen simuloinnin hyödyntäminen suunnittelun apuna on siis perusteltua.

Tiivisteen toimintaa pyritään ennustamaan simuloimalla liitoksen kokoonpanoa ja moottorin käyntiolosuhteita. Simulaatio suoritetaan kahdessa vaiheessa: Ensimmäisessä selvitetään tiivisteen mekaaninen puristusvaste simuloimalla puristustestiä. Puristusvaste, eli tiivisteen tuottama reaktiovoima sen kokeman muodonmuutoksen funktiona, tallennetaan ja sitä vertaillaan kokeelliseen dataan. Toisessa vaiheessa yksinkertaistettu kuvaus tiivisteestä sisällytetään kokoonpanotason elementtimalliin erityislaatuisen tiiviste-elementin muodossa. Tiiviste-elementin jäykkyys määritetään noudattamaan ensimmäisessä vaiheessa mitattua puristusvastetta, mikä mahdollistaa tiivisteen toiminnan ennustamisen simuloiduissa olosuhteissa. Kaksivaiheisen simulointirutiinin käyttö mahdollistaa raskaan laskentaosuuden – tiivisteen puristusvasteen selvittämisen – ulkoistamisen erilliseen analyysiin.

Työn tärkeimpänä tuloksena löydetään todennäköinen syy esimerkkiliitoksen tiiveydessä havaittuihin haasteisiin. Tiivistepinnan kontaktipaineen havaitaan kehittyvän moottorin käydessä yli tiivistevalmistajan suositusarvojen, mikä johtaa tiivisteen liialliseen plastisoitumiseen ja kontaktipaineen menetykseen moottorin jäähtyessä. Tiivisteen sisällyttämisen kokoonpanotason elementtimalliin havaitaan lisäävän laskennan vaatimaa tehoa noin 30 %.

Työn tuloksia voidaan suoraan hyödyntää muutosten tekemisessä esimerkkiliitokseen. Esiteltyä laskentamenetelmää voidaan käyttää myös muille liitostyypeille pienillä muokkauksilla. Työssä esitellyn menetelmän hyöty onkin sen joustavuus: kunhan tiivisteen puristusvaste saadaan selville – joko kokeellisesti mittaamalla tai simulaation avulla – voidaan minkä tahansa tiivisteen toimintaa osana suurempaa kokoonpanoa arvioida. Työn lopussa esitellään mahdollisia kehitysaskelia menetelmän kehittämiseksi tulevaisuudessa.