对垫片进行有限元分析的螺栓法兰连接的密封性研究

《对垫片进行有限元分析的螺栓法兰连接的密封性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、本文翻译自：M.MuraliKrishna,M.S.Shunmugam,N.SivaPrasadAstudyonthesealingperformanceofboltedflangejointswithgasketsusingfiniteelementanalysis[J].InternationalJournalofPressureVesselsandPiping2007(84):349-357使用有限元分析方法研究带垫片的螺栓法兰连接的密封性能摘要:垫片在螺栓法兰接头的密封性能中发挥重要作用，由于非线性的材料特性和永久变形，它们的行为是复杂的。由于法兰偏转和垫片

2、的材料属性导致的接触应力的变化在实现防漏接头中发挥重要作用。在本文中，根据试验获得的垫片加卸载的特性进行了螺栓法兰接头的三维有限元分析（FEA）。分析表明接触应力的分布比由ASME规定的对法兰偏转的限制在密封性能中占据更主导的影响地位。©2007爱思唯尔科技有限公司.保留所有权。关键字：螺栓法兰接头；垫片特性；垫片接触应力；法兰偏转；轴向螺栓力1.简介带有垫片的法兰接头在压力容器和管道中非常普遍，主要被设计用于内部压力。这种接头也用于特殊应用例如核反应堆和太空飞行器。燃料管到火箭发动机之间的连接就是这些接头在太空飞行器中典型的应用。防止流体泄漏时法兰接头最主要的需求

3、。许多设计变量影响接头性能并且很难预测在役接头的行为。一些设计规范和标准，主要基于Taylor-Forge方法[1]，为法兰接头的设计提供了步骤。甚至根据规范比如ASME,DIN,JIS和BS设计的接头也会经历泄漏，并且这个问题在工业中持续出现。所有的这些规范都基于许多简化和假设，因此可能无法预测带有垫片的法兰接头的真实行为。带有垫片的法兰接头分析的复杂性在于垫片材料的非线性行为和永久变形。在过大应力的作用下材料将经历永久变形。弹性（刚性）是垫片在装配过程中以及投入使用之后的压缩应力的函数。普遍认为垫片刚度对接头的行为占主导的影响，因为其刚度相对较低。螺栓接头的另一

4、个固有问题是法兰偏转和接触应力。它们是由螺栓预紧载荷引起的，并且当接头受到内部压力时会增大。ASME规范曾试图通过增加一个基于固定偏转的刚性约束“J”来纠正这个问题。这可能是不足够的，因为法兰的偏转不是一个唯一的数值。法兰的偏转使垫片从内半径到外半径产生不同的压缩量。由于压缩量的变化，接触应力也随半径发生改变。Sawa[2]等人基于弹性理论提出了一个数学模型来确定管法兰接头的接触应力分布，把它作为轴对称问题来对待。讨论了密封性能、有效垫片宽度和作用在接头上的力矩。Sawa[3]等人利用一种将应力-应变曲线考虑为分段线性的数值方法延伸了它们之前的研究。为了预测接头的紧

5、密性，Bouzid和Derenne[4]开发了一种分析方法，考虑法兰的转动灵活性以确定接触应力。在这些研究中，没有考虑垫片材料的实际非线性和滞后现象。在目前的工作中，为了发现垫片中的接触应力开发了一种有限元（FE）模型。考虑了在各种载荷和操作条件下垫片的非线性和滞后现象。为了发现垫片材料的加载和卸载特性进行了试验，反过来这些特性被应用到FEA中。研究了不同载荷和操作条件下的不同垫片模型中法兰偏转对密封性的影响。同时也分析了当接头受到内部压力时轴向螺栓力的增加。研究了不同载荷条件下垫片上接触应力的分布。在目前的分析中，带有选定的螺栓缠绕环垫片的对焊（WN）和凸面（80

6、mmNPS,Class600,ASME/ANSIB16.5）法兰，考虑其在室温下的材料特性。2.带垫片接头的配置和材料特性2.1法兰、垫片和螺栓的几何尺寸所有的标准法兰都提供了多种加工表面。对于中等使用条件，相对于平面法兰优先选择凸面法兰，并且具有较小的接触面积的环垫片减小了压紧垫片所需要的螺栓预紧力。图1（a）和（b）示出了这个有限元分析（FEA）中使用的管法兰（80mmNPS,对焊，Class600,ASME/ANSIB16.5）[5]和缠绕式垫片的尺寸。此分析中考虑使用M20的螺栓。图1FEA中使用的法兰和垫片的尺寸（a）：法兰（b）螺旋缠绕垫片2.2法兰和螺

7、栓的材料属性假定法兰和螺栓的材料均匀、各向同性、线性弹性。将法兰和材料选为锻造碳钢（A105，杨氏模量E=195MPa,泊松比ν=0.3），螺栓的材料选为铬钢（A193-B7，E=203MPa，ν=0.3）。2.3垫片特性垫片往往是多层材料，在加载和卸载条件下表现出非线性行为。拧紧螺栓或压缩（加载）阶段的弹性模量不同于由于内部压力造成的减压（卸载）阶段的弹性模量。当垫片减压时，它表现出强烈的滞后现象，这种滞后是非线性的并且将导致在厚度范围的永久变形。薄膜应力（平面上）和横向剪切对刚度的贡献要小的多，因此忽略不计。为FEA输入数据时，简单起见，假定每个重复加载的曲