基于Abaqus垫片密封接触有限元分析.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-11-28 作者简介：陈百川（1997-），男，上海理工大学机械工程学院，硕士生。基于 Abaqus 垫片密封接触有限元分析 陈百川，吕泽苗（上海理工大学 机械工程学院，上海 200000）摘 要：以一个端盖密封为例，借助 Abaqus 有限元分析软件，使用 Gasket 单元，分析了材料非线性垫片在不同螺栓扭矩螺栓预紧情况下的的受压与剪切的应力分布，并结合理论分析对垫片进行校核。关键词：密封；Abaqus；有限元；Gasket 单元；材料非线性 中图分类号：TK422 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0062-03 垫片是一个广泛运用于液压、化工、航空航天等领域的重要密封元件，其设置静密封面之间，不承担结构支撑作用，主要靠其自身的形变来阻滞容器中流体的外泄。垫片密封结构简单，在多年的实践中证明，其能满足高温、高压等工况下的密封需要。垫片按其材料和结构特征可分为非金属垫片、金属垫片、金属-非金属组合垫片大类，各类又可细分成若干种1。文中选用 Abaqus 作为分析软件，以一个端盖密封为例，使用有限元法分析了在螺栓预紧力加载的情况下，材料非线性垫片的应力状态与压缩性能。一、垫片密封应力理论计算 在螺栓预紧状态下，垫片的应力理论计算公式为：rdtFS=（1）式中，d垫片截面压应力；rF截面所受反作用力；tS理论受压面积。对于带螺孔的环形垫片2，222tS()hRrnR=-（2）R垫片外径；r垫片内径；hR垫片螺孔半径；n螺孔数，带入公式（1）得3：rd222F()hRrnR=-（3）垫片所受到的反作用力rF大小上等于螺栓所提供的预紧力之和sF，假设在理想状态下每个螺栓均处在相同状态，提供预紧力大小相等。s1niviFFnF=（4）根据最大变形能理论，许用计算应力为：4 2222max33*(0.5)1.32dddd=+=+（5）二、有限元模型的建立 如图 1 为在 abaqus 中建立的垫片密封简化模型，八个螺栓在圆周均布。图 1 模型装配实体 1材料设置 在模型中，缸体与螺栓均为均质实体，缸体采用铝合金，螺栓为 45 钢，具体参数如 1 所示。表 1 材料参数 实体 杨氏模量 泊松比 螺栓 210,000 0.3 缸体 69,000 0.3 缸盖 69,000 0.3 图 2 垫片模型 垫片三维模型如图 2。垫片有多种多样的不同构造，构成材料也多种多样，有些类型的垫片几层预制金属组成的由于垫片的形变过程具有独特性，结构的密封效果与垫片的变形行为有着直接紧密的关系，在有限元分析软件中传统的材料定义与连续实体单元难以对垫片的行为进行模拟，应对这种情况，Abaqus 中提供了针对材料非线性行为的材料属性与垫片单元。垫片变形行为由压缩测试机测试获得，如图 3，部分数据由表 2 给出。第 4 期 陈百川等：基于 Abaqus 垫片密封接触有限元分析 63 表 2 垫片应力位移行为 加载 卸载 压力（MPa）过盈（mm2）压力（MPa）过盈（mm2）塑性过盈（mm2）0 0 0 1.21 1.21 3.4 0.047 10 1.28 1.21 6.4 0.093 38 1.37 1.21 10 0.175 70 1.41 1.21 20 0.4 100 1.43 1.21 30 0.6 40 0.79 60 1.06 80 1.25 100 1.43 图 3 垫片变形行为拟合曲线 2网格的划分与单元的设置 模型整体的网格划分如图 3。除垫片外的所有实体均采用 C3D8R 网格。图 4 全局网格划分 对于垫片的单元类型，abaqus 中开发出独特的材料非线性行为的垫片（gasket）单元。垫片单元由具有一定厚度的上下两个面组成，利用这两个面沿垫片表面法相的相对运动变化来量化垫片单元的变形行为，利用这两个面的相对位置于表面法向上正交的平面投影变化来表征单元的横向剪切行为。5：根据单元自由度，垫片（Gasket）单元可分为两类：（1）第一类：GKxxx 单元。这类单元在其节点上具有所有方向上的平移自由度，可以多方面较完整的展现材料性能。（2）第二类：GKxxxN 单元。这类单元只有沿厚度方向的自由度，这类单元旨在作为一种手段来减少分析的计算成本。图 5 垫片单元几何特性 图 6 垫片网格划分 在本次分析中垫片采用 GK3D8 单元。3载荷、边界条件及接触设置 文中所分析实体中，所涉及主要的接触有端盖-垫片、螺栓-端盖、螺栓-垫片、螺栓-法兰和法兰-垫片。其中，螺栓-法兰使用绑定（Tie）约束，端盖-垫片与法兰-垫片采用小滑移面-面接触，端盖螺栓采用有限滑移面-面接触6。对于法兰采用约束六个自由度均为 0 完全固定约束。假定此处通过查表可得，M14 螺栓最小螺栓扭矩为 39NM，通过计算并取整，分析中取单个螺栓预紧力为 15,000N。三、仿真结果及数据分析 垫片 Mises 应力分布云图与垫片受压云图如 6 所示，垫片受剪应力云图如图 7 所示。根据结果分析，垫片所受最小接触压应力为 5.516MPa，垫片不存在零压区，可以保证密封可靠性 图 6 垫片 Mises 应力与 CPRESS 云图 图 7 垫片垫片受压云图 图 8 垫片受剪应力云图 64 中 国 水 运 第 23 卷 以垫片中心为远点建立极坐标系，以角度为自变量，借助 Abaqus 内置绘图功能，分别输出在螺栓扭矩为 40NM时垫片不同截面的受压和剪应力分布，如图 9、图 10 所示。图 9 不同截面受压分布曲线 图 10 不同截面受剪应力分布曲线 综合观察云图与数据曲线，可以看出，垫片的最大受压/剪切应力均出现在螺栓孔附近，最大受压应力出现在螺栓孔靠近外缘一侧，最大受剪切应力出现在螺栓孔靠内一侧。（1）23000N （2）77500N （3）90500N 图 11 不同螺栓预紧力下垫片受压云图 改变螺栓扭矩，重复进行仿真，结果如图 11 所示。螺栓预紧力越大，垫片所的受压应力越大。提取垫片所受最大压应力，得到螺栓扭矩-垫片最大受压应力关系，如图 10。实线为仿真得到最大受压应力，虚线为理论许用应力。由图可以看出，在螺栓扭矩 210NM 附近两条线相交，受压应力大于理论许用应力，为保证密封的可靠性，螺栓扭矩选用不应大于 190NM。图 11 不同螺栓扭矩下垫片最大受压应力 四、结论 文中借助 Abaqus 有限元分析软件，使用 Gasket 单元，以螺栓预紧垫片为分析目标进行了有限元仿真，对垫片的密封性进行研究，分析了不同螺栓预紧力下垫片的受应力情况，使用理论公式进行校核，检验密封的可靠性。参考文献 1 法兰用密封垫片实用手册编委会 法兰用密封垫片实用手册北京：中国标准出版社，2004：10 2 何文杰，王学军，李彦基于 ABAQUS 的螺栓法兰连接预紧接触分析J农业装备与车辆工程，2021，59（12）：159-162 3 李雷，曾超，刘伦伦基于 ABAQUS 的非石棉垫片密封结构的仿真分析J 农业装备与车辆工程，2019，57（07）：44-46 4 王强强柔性石墨金属缠绕垫片的性能和工艺参数研究D浙江工业大学，2020DOI：10.27463/ki.gzgyu.2020.000342 5 尹飞鸿有限元法基本原理及应用M 高等教育出版社，2018 6 徐芝纶弹性力学M高等教育出版社，2016 7 梁宇翔螺栓法兰接头垫片安全密封性能分析D兰州理工大学，2017