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密封垫片的应力场分布影响因素及数值模拟

张燕燕  
【摘要】: 螺栓法兰连接是石油和化工设备管道中最主要的连接形式,而垫片在法兰连接中起着重要作用。垫片在实际工作状态下所受的应力大小及分布趋势影响着垫片的性能,而垫片性能的好坏决定着密封的性能。因此,研究密封垫片在工作状态下的应力大小、应力分布以及影响因素将对密封垫片的使用以及法兰接头泄漏的防治非常有益。 本文考虑垫片工作的真实情况,将法兰接头各元件看成一个系统,研究各元件之间的相互作用,以ASME B16.5的NPS4 Class150标准法兰为例,建立了参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为,采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,进行了数值计算与分析。首先研究仅在预紧作用下和逐渐施加内压载荷对垫片应力的影响。研究表明,垫片应力随预紧力的增加而增加;随着内压的升高,垫片应力沿径向周向分布趋于不均匀,螺栓具有不容忽视的弯曲应力:其次,考虑外弯矩对垫片应力的影响,并将外弯矩转化为沿接管圆周呈余弦分布的当量应力,分析其对垫片应力的影响。计算结果表明,法兰受拉侧的垫片应力明显低于法兰受压侧垫片应力,且受拉侧垫片应力随外弯矩的增加而急剧降低,故以该侧垫片应力评价接头的密封性较合理;将本文外弯矩作用下法兰接头的数值计算与PVRC的实验进行比较表明,两者结果相接近。


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