金属垫片接触应力分布的数值模拟.pdf

第38卷第1期
石油化
2009年1月
PETRO-CHEMICAL EQLIPMENT
Jan.2009
文章编号:100-7466(2009)01004703
金属垫片接触应力分布的数值模拟
冯秀孙见君,魏龙
(南京化工职业技术学院机被技术系,江苏南京210048)
要:利用 ANSYS对不同螺栓载荷下的垫片接触应力分布进行了数值模叔。结果表明,垫片接
触应力径向分布是非常不均匀的,垫片外側接触应力比其内側大得多。垫片接触应力径向分布除
受螺栓载荷和介质压力影响外,还与法兰刚度和垫片几河尺寸有关
关键词:金属整片;密封;接蝕应力分布;有限元分桥
中图分类号:TQ055,8
文献标志码:A
Idinite Element Analysis for Distribution of Contact Stress of Metallic Gaskets
FENG Xiu, SUN Jian-jun, WEI Long
(Nanjing College of Che
Tcchnology, Nanjing 210048, Chi
Abstract The leakage behavior of bolted flange connections was related 1o the gasket contact
stress. In particular, thc non-uniform distribution of this stress in the radial direction cause by
Le Mlange rotational flexibility had a major influence on the leakage
o tco
mect ions. The distribution of the contact stress of metallic gaskets was investigated by FEM. The
distribution of the contact stress in the radial direction of gaskets was non-uniform, and the con
tact stresses were greater at the outer flank of gaskets than that at the inncr flank. In addition, tl
contact stresses were related to the rigidity of the flange and geometric dimension of gasket
These can be used in the evaluation of sealing behavior of metallic gaskets.
Key words: metallic gasket seal; distribuion of contact pressures finite element analysis
金属垫片密封结构常见于石油、化工及核能等进行数值模拟,并研究法兰刚度及垫片几何尺寸对
装置中,疒泛应用于高温、高压、強腐蚀介质存在及接触应力分布影响。
般垫片无法满足要求的场合。在螺栓法兰金属垫
片连接结构中,螺桧载荷和内压的作用使法兰发生
1计算模型
備转,随之会引起垫片接触应力分布不均匀,由此产1.1法兰垫片结构尺寸
生对螺栓法兰连接结构密封性能的影响会比墊片的
计算模型为PN10.0、DN25的带颈対焊管法
平均压紧应力更大。国内外诸多学者对此作了(H(20532--97),所研究的非标准垫片的尺寸见
研究,但大多都是采用有限元计算软件针対非金属表1
垫片的援触应力进行数值研究,而对于金属垫1.2法兰埜片材料特性参数
片接触应力分布数値模拟的硏究鮮见报道。
法兰、垫片材料特性参数妣表2。让算时,假设
笔者对螺栓法兰金属埜片中垫片接触应力分布法兰垫片发生多线性等向强化弹塑性变形,常温下
收稿目期:2008-07-28
基金项目:江苏省“六大人才高峰”资助项目(07-1)027
作者简介:冯秀(1976),女,江苏徐州人,讲师:学博土,从事流体密封与测控技术的研究
石油化工设
QO9华第38卷
3种材料的应力-应变曲线见文献[9
式中,S。为轴向应力,か为介质压力,MPa;Da为钢
表1墊片几何尺寸
管内径,D为钢管外径,mn
厚度
宽度
在橾作T下况下,螺桧载荷W。可按GB150
编号
8《管壳式换热器》方法确定。对于20钢垫片,其
因此,可以计算出呷。及Sa2的值,见表
表3地片主要参数值
介质压∫
栓載荷
垫片编弓
轴向应力
. Mpa
WN
14,)
表2法兰垫片材料参数
138602
2:,0
弹性模懾
材料
松比
屈服强度
NIP
〔Cr19Ni9
6509
钢
3
为了研究螺栓载荷对墊片接触应力分布的影
3有限元计算模型
响,以02号垫片为研究对象,对模型施加不同的螺
根据法兰垫片结构和受力特点,有限元计算时栓载荷,取m为5.5、11、22、33,可分别计算出W
采用的二维轴对称平而几何模型见图1。垫片厚度为105975N、192325N、365025N和537725N。
半处设为水平轴x,法兰的对称轴设为y轴。
采用四节点函体结构单元(Pans2)进行分2计算结果及分析
网。考虑到分析的要求和结构的特点,垫片及法兰
02号垫片在不同螺栓载荷下的接触应力分布
颈的网格划分较细密,而其余的部位网格划分较稀图见图2。由图可见,热片表面上的接触应力从内
琉。整片与法兰接触采用二维柔性面-面接触,法“係处至外径处新贈大,并存在一无接触应力区
为H标雨,采用 Largely69单元、垫片为接触,采用当施加的螺栓载荷逐渐増加时,垫片内径处的接触
Contact172。摩擦类型取基本的库仑摩擦模型。
应力逐渐增大,无接触应力区逐渐减小。
60r--=105975N
=192325N
365025
=537725N
以
100k
法过付
0aたるP
埜片宽度b
图1有限元计算模型
图202号热片接触应力径向分布
在墊片水平对称轴上加y方向约束,在螺栓孔
法兰材料分别为45钢和0Crl9Ni9时垫片径向
中心线上加螺検力W,接管画上施加轴向应力接触应力的分布见图3。由图可见,法兰材料为45
,在法兰、接管的内面和垫片内侧的法兰密封面
钢时的垫片接触应力分布比法兰材料为OCr19Ni9
上施加介质压力。轴向应力S由内压产生,其计
时均匀,这主要是因为45钢法兰刚度较大,法兰偏
算公式为
转较小,垫片内径处接触应力相对增大,而外径处的
接触成力相对减小,无接触应力区减小