基于“等效內(nèi)壓法”的纏繞墊片外環(huán)有限元應(yīng)力分析

鄭康寧，于建國(guó)

（1.保定市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 保定 071000；2.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校，河北 承德 067000 ）

基于“等效內(nèi)壓法”的纏繞墊片外環(huán)有限元應(yīng)力分析

鄭康寧1，于建國(guó)2

（1.保定市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 保定 071000；2.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校，河北 承德 067000 ）

對(duì)纏繞墊片外環(huán)進(jìn)行了位移載荷作用下的有限元應(yīng)力分析。結(jié)果表明，有限元分析結(jié)果與“等效內(nèi)壓法”計(jì)算的結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證“等效內(nèi)壓法”在外環(huán)受力分析上是適用的。

纏繞墊片；外環(huán)；有限元應(yīng)力分析；等效內(nèi)壓法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)纏繞墊片的研究大多數(shù)致力于密封元件本身的研究，而對(duì)于其內(nèi)外環(huán)的研究甚少。

在國(guó)標(biāo)中，對(duì)纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)做出了4 種規(guī)定：（1）基本型(A 型)。（2）帶外加強(qiáng)環(huán)型(B型)。（3）帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)型(C 型)。（4） 帶內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)型(D 型)。

在美標(biāo)中，對(duì)纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)型式僅做出了兩種規(guī)定：（1）帶外環(huán)型。（2）帶外環(huán)及內(nèi)環(huán)型。在美標(biāo)中特別強(qiáng)調(diào)，所有的纏繞式墊片必需帶外環(huán)(這與國(guó)標(biāo)的規(guī)定不同)。

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)纏繞墊片外環(huán)上存在一定差異。此外，對(duì)內(nèi)外環(huán)的作用只是定性地進(jìn)行了說(shuō)明，而纏繞墊片壓縮后必然對(duì)內(nèi)外環(huán)產(chǎn)生一定的作用。為了解內(nèi)外環(huán)對(duì)密封元件的作用，筆者在文獻(xiàn)[1]中首次提出了纏繞墊片外環(huán)應(yīng)力分析的“等效內(nèi)壓法”，本文利用有限元法對(duì)纏繞墊片的外環(huán)進(jìn)行了位移載荷作用下的應(yīng)力分析，并驗(yàn)證了“等效內(nèi)壓法”的適用性，為纏繞墊片外環(huán)的定量研究提供了有效的方法。

1 纏繞墊片外環(huán)應(yīng)力分析的前提條件

按國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)纏繞墊片壓縮量一般為1.3mm時(shí)，在無(wú)徑向約束時(shí)纏繞墊片最外圈鋼帶的徑向位移為0.50045mm，這是認(rèn)為外環(huán)和基本型裝配后緊密配合得出的徑向位移，而實(shí)際情況是要留有一定的余量以便外環(huán)和基本型的裝配。考慮裝配余量為0.8mm，即半徑方向有0.4mm余量，則得到按位移全施加到外環(huán)上的位移s=0.10045mm。本文以D=550mm，外環(huán)內(nèi)徑317.5mm，外徑外徑為342.5mm,外環(huán)厚度為3mm的纏繞墊片為例進(jìn)行分析（由于篇幅所限，其它尺寸外環(huán)分析略）。

2 纏繞墊片外環(huán)“等效內(nèi)壓法”的應(yīng)力分析

根據(jù)應(yīng)力分析得到外環(huán)內(nèi)各點(diǎn)的周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力隨半徑的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 “等效內(nèi)壓法”下的外環(huán)周向應(yīng)力，徑向應(yīng)力分布圖

周向最大應(yīng)力為62.9MPa，徑向應(yīng)力最大值為-4.7MPa（壓應(yīng)力）。

3 纏繞墊片外環(huán)應(yīng)力的ANSYS數(shù)值分析

3.1 建立有限元分析模型

外環(huán)的材料參數(shù)為：密度σ=7800kg/m3；彈性模量E=200GPa ；泊松比=0.3。建立實(shí)體模型。

3.2 網(wǎng)格劃分（圖2）

根據(jù)受力幾何模型和對(duì)實(shí)際問(wèn)題的簡(jiǎn)化，采用自由劃分網(wǎng)格的方法（Free meshing）方法，采用四面體單元。

四面體單元在9000個(gè)左右。

圖2 外環(huán)單元網(wǎng)格劃分

3.3 加位移載荷求解

計(jì)算模型所加的載荷和邊界條件見(jiàn)圖3。模型限制Z方向的移動(dòng)，在柱坐標(biāo)情況下向X方向施加位移載荷。

圖3 外環(huán)承載圖

3.4 后處理

采用了通用后處理模塊，后處理的內(nèi)容包括：（1）繪制周向應(yīng)力圖。（2）繪制徑向應(yīng)力圖外環(huán)數(shù)值分析結(jié)果，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 有限元分析下的外環(huán)周向應(yīng)力分布圖

3.5 結(jié)果分析

將“等效內(nèi)壓法”與有限元應(yīng)力分析所得結(jié)果繪制同一圖中，見(jiàn)圖6。

由圖6可知：（1）“等效內(nèi)壓法”計(jì)算下的周向應(yīng)力與位移載荷作用下的有限元應(yīng)力分析曲線(xiàn)基本平行，誤差很小并且誤差穩(wěn)定。（2）“等效內(nèi)壓法”計(jì)算下的徑向向應(yīng)力與位移載荷作用下的有限元應(yīng)力分析曲線(xiàn)基本重合，結(jié)果基本一致。

圖5 有限元分析下的外環(huán)徑向應(yīng)力分布圖

圖6 “等效內(nèi)壓法”與有限元應(yīng)力分析應(yīng)力曲線(xiàn)對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

有限元分析驗(yàn)證表明，“等效內(nèi)壓法”完全適合于纏繞墊片外環(huán)在位移載荷作用情況下的應(yīng)力分析，從而為纏繞墊片外環(huán)的定量研究提供了有效的方法。

[1]由立臣,鄭康寧,杜利順,等. 新型耳環(huán)式纏繞墊片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算[J].潤(rùn)滑與密封,2009，34(12):102～105.

[2]由立臣,陳慶,郭奇,等.纏繞墊片成型鋼帶壓縮性能分析[J].潤(rùn)滑與密封,2004,(4):106～108 .

[3]陳慶,由立臣,郭奇,等.V 型纏繞墊片的力學(xué)分析及性能研究[J].潤(rùn)滑與密封,2002,(6):47～48.

[4]GB4622.1～4622.3-93 纏繞式墊片[S].

[5]ASME B16.20-1993 Metallic Gaskets for Pipe Flanges-Ring-Joint, Spiral-Wound, and Jacketed[S].

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1671-0711（2016）12（上）-0101-02