柔性石墨波齿复合垫片力学性能的有限元模拟.pdf

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1、第39卷第4期化工机械497柔性石墨波齿复合垫片力学性能的有限元模拟罗伟+(南京工业大学机械与动力工程学院)摘要基于正交分析和有限元模拟的方法研究了波齿复合垫片的金属骨架厚度、金属骨架圆弧半径及波齿深度等因素对柔性石墨波齿复合垫片力学性能的影响。计算结果表明：波齿复合垫片的金属骨架厚度对垫片的性能影响最大，优化的参数设计的波齿复合垫片有较好的压缩率和回弹率。关键词波齿复合垫片正交分析有限元力学性能中图分类号TQ050．4+5文献标识码A文章编号0254_6094(2012)04m497田3柔性石墨金属波齿复合垫片是由一定几何形状的金属骨架和柔性石墨复合而成的密封垫片

2、⋯。它具有金属齿形垫片的回弹性能和膨胀石墨材料的密封性能，已被广泛应用于石油化工等行业的法兰连接设备和管道的密封上。我国于2003年首次发布了柔性石墨金属波齿复合垫片标准GB／T19066，该标准仅给出了垫片的总体尺寸、总体结构形式、外观质量和性能指标，而对具体钢带的尺寸没有要求∞j。笔者通过ABAQUs有限元模拟，首次考虑了钢架跟膨胀石墨的弹塑性，研究了波齿复合垫片的主要参数对其力学性能的影响，模拟了垫片的压缩和回弹性能，其结论对该垫片的制造和使用具有一定的指导意义。1波齿复合垫片的基本结构波齿复合垫片的基本结构如图1所示，模拟的膨胀石墨波齿复合垫片的规格为120

3、．5mm×84．0mm×3．0mm(符合GB／T19066．3—2003)，即齿深柔性石墨金属骨架魁酸虹剥图1柔性石墨金属波齿复合垫片的基本结构波齿复合垫片的内径为D。=84．0mm，外径D：=120．5mm，厚度为3．0mm。2正交方法设计笔者研究的影响垫片性能的3个参数分别是波齿复合垫片的波齿骨架厚度r(分别取值2．0、2．5、3．0mm)、圆弧半径尺(分别取值2．0、2．5、3．0mm)、波齿深度日(分别取值0．8、1．0、1．2mm)。选择L。(34)作为正交分析表，即3因素3水平9次实验的正交表(表1)。表1正交分析表实验序号因素r因素R因素H3有限元模型

4、一3．1模型的建立波齿垫片因几何模型和载荷均为轴对称，故}罗伟，男，1985年9月生，硕士研究生。江苏省南京市，210009。12323l312123123l231l23l23456789498化工机械2012年按轴对称问题来建模，其有限元模型如图2所示。法兰为刚性法兰，载荷施加在法兰上，载荷的大小根据文献[3]确定，即45MPa。波齿复合垫片金属钢架材料为304不锈钢，其弹塑性数据(应力一应变曲线)由实验测得(图3)，膨胀石墨的材料数据由资料查找得到H1。网格使用四边形单元，网格划分技术采用自由化网格划分技术。图2有限元模型图3304不锈钢应力一应变曲线3．2结果

5、分析与讨论从表2的结果数据可以看到，压缩率除了序号为3的实验达到了标准规定的25％一45％以外，其他均低于这个值，因为实际中垫片石墨层与金属骨架之间是有空隙的，导致在压缩的初始阶段的变形主要是为了填充石墨层与金属层之间的间隙，所以模拟的压缩量比现实实验的压缩量小，而回弹率均满足标准要求。表2金属波齿复合垫片的压缩率和回弹率喜萼因素r因素R因素Ⅳ压缩量回弹量mm压缩率％回弹率％O．6500．7401．0900．540O．6300．460O．0760．0400．062O．410O．4600．560O．330O．390O．2900．033O．020O．02821．724．

6、736．318．021．015．32．51．32．1图4是利用Statistica分析柔性石墨波齿复合垫片金属骨架各参数每个水平对其压缩率和回弹率信噪比的影响。从图4a中可以看出波齿骨架3026鳟出141062弋RH～．／／厚度是影响压缩率的最大因素，其次是波齿深度跟金属骨架的圆弧半径，压缩率的最优化组合为TlR3日3。由图4b可以得到，波齿骨架厚度也是36．O35．5槲35．0蔷34．534．O33．533．O弋尺Ⅳ以＼＼．123l23123水平b．回弹率图4各因素水平对波齿复合垫片压缩率和回弹率的信噪比影响124l9O4O2以酡钉nn∞钙如盯妊一第39卷第4期化

7、工机械499影响回弹率的最主要因素，圆弧半径跟波齿深度影响较小，在波齿骨架厚度为2．5mm的时候，有最大的回弹率，回弹率最优化的组合为T2R2日l。4结束语波齿骨架厚度r是影响柔性石墨波齿复合垫片的压缩率跟回弹率的主要因素，波齿骨架厚度在2．0～2．5mm时拥有最好的压缩率和回弹率，最优化方案为TlR3仍，此时柔性石墨波齿复合垫片的压缩率为36．3％，回弹率为51．4％，均符合标准要求；建议膨胀石墨波齿复合垫片在出厂的时候进行预压缩处理，这样垫片在使用的过程中就拥有较高的回弹率；下一步的工作就是用实验的方法对模拟得到的结果进行验证。参考文献陈庆，李君，卜辛国，等