V型金属缠绕垫片力学性能研究.pdf

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第37卷第2期
石油化工设备
ol. 37 No
2008年3月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
文章编号:1000-7466(2008)02-0015-0
V型金属缠绕垫片力学性能研究
宋海燕,仇性启,周先军
(中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061
摘要:通过对Ⅴ型金属缠绕垫片进行压縮回弹试验和数值模拟计算,得出了V型金属缠绕垫片力
学性能方面存在的优缺点,据此提出了角度优化和加エ制造的改进方向。
关键词:缠绕垫片;型金属;压缩回弹性能;数值模拟
中图分类号:TQ113.25;TQ050.2
文献标志码:A
Mechanical Study on V-type Metallic Spiral Wound Gasket
SONG Hai-yan, QIU Xing-qi, ZHOU Xian-jun
(College of Electromechanical Engineering
China University of Petroleum, Dongying 257061, China)
Abstract: Through the test on compression-recovery performance and numerical simulation to
V-type metallic spiral wound gasket, it was found that the gasket has some advantages and disad
vantages on its mechanical performance. The optimization of degree and improvement of machi
ning were put forward.
Key words: spiral wound gasket; V-type metallic compression-recovery performance; numeri
cal simulation
型金属缠绕垫片由金属(定型V型)和带状垫片技术条件》规定。
非金属材料(柔性石墨或其他非金属材料)交替缠绕1.2试验曲线分析
复合制成,不仅具有钢带良好的抗压缩和回弹性能,
采用专门的程序对试验数据进行跟踪记录,试
而且具有非金属带状材料优良的密封性能,由此在验可得到应力-变形曲线,见图1。图1中横坐标δ
石油、化工及航空航天等许多领域得到了广泛的应为压缩变形量,纵坐标。为试验应力。
用。但此类垫片在制造及使用方面仍存在着一些问
由图1可以看出,曲线起点距离原点有一定的
题,需要进一步研究。文中通过试验和数值模拟对距离,这是为了使位移传感器更加灵敏而在试验开
其力学性能进行了研究,其结论对此缠绕垫片的制始时人为的让其具有一定位移量的结果。此外,从
造及使用具有一定的指导意义。
此曲线中还可以看到一些多余的分支,这是由于计
1压缩回弹性能试验
算机反应较慢,使位移传感器和压力传感器的信号
不匹配或人为的加压不稳定所致,但是其显示的垫
1.1试验条件
片应力-变形关系的总体趋势是有规律的。加载曲
试验垫片为型金属缠绕垫片,试验温度为常线较平缓,说明垫片抗变形能力差·压缩性较好。卸
温,最高试验应力为30MPa。试验装置为自动刚性载曲线前期几乎是平行于纵轴的直线,只是到了末
试验装置,试验法兰为刚性法兰,按文献[1],垫片技期,斜率很快械小,说明在低应力下,回弹量增加,垫
术要求及试验方法应符合GB4622.3-93《缠绕式片回弹性好
收稿日期:2007-10-19
作者简介:宋海燕(1981-),女,山东阳信人,硕土士研究生,从事垫片密封技术的研究工作
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石油化工设备
2008年第37卷
划分采用自由划分,模型下表面沿y方向固定,上
表面的位移耦合,且上表面y向施加轴向载荷产生
加
的应力为30MPa
10
卸
图2V型角度为60°
图1型金属缠绕垫片应力-变形图
1.3试验数据处理
图3V型角度为90°
1.3.1压缩率的计算
压缩率S的计算公式为:
S=0×100%
(1)
图4V型角度为120
式中,6。为垫片的初始厚度,mm。
2.2结果分析
由数据记录知お=1.12mm,8。=4.5mm,由式
V型角度为60°、90°、120°时,V型金属缠绕垫
(1)可得压缩率S=24.89%。
片受力后的应力区域分布情况见图5~图7。
1.3.2回弹率的计算
回弹率小的计算公式为:
お一(。-81)
×100%
(2
式中,为卸载至0时垫片的厚度,mm
由数据记录知δ=1.12mm,8。=4.5mm,81
图5V型角度为60°时缠绕墊片的应力分布图
3.7mm,则回弹率小=28.57%。
由计算结果可以看出,此型金属缠绕垫片的
压缩回弹性能很好,完全符合缠绕式墊片技术条件
及性能指标。
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图6V型角度为90°时缠绕垫片的应力分布图
2数值模拟计算
利用 ANSYS中结构分析部分可以计算由于载
荷引起的系统或部件的位移、应力、应变,研究垫片
受力之后的变形和应力分布情况2。
2?こ
r
G
2.1模拟计算
图7V型角度为120°时缠绕垫片的应力分布图
由于V型金属缠绕垫片可以看作是一截面绕
轴线旋转而成,在其任意截面上的受力情况可近
从图5可知,V型角度为60°的垫片最大应力值
认为相同,故可将其简化为平面问题进行分析。为57.1MPa,出现在垫片外侧上边缘的MX处;最
在建模时可取其中的一截面作为分析模型,鉴于建小应力值为7.43MPa,且出现在垫片内外两侧突出
模简单,分别建立V型角度为60°、.90°、120°且垫片的尖角上(MN处)
厚度和有效宽度相同的3个模型,见图2~图4
从图6可以看到,垫片应力的分布规律大致与
3个模型在单元类型、材料属性、约束载荷方面图5相同,垫片最大应力值为54.8MPa,出现在垫
都是相同的。其单元类型均采用 plane42,材料为片外侧下边缘的MX处;最小应力值为9.30MPa,
1Cr18Ni9Ti和石棉,弹性模量分別为2.02×出现在垫片内外两侧突出的尖角上。只是垫片V型
105MPa和1.60×105MPa,泊松比均为0.3。单元角度为90°时的最小应力的分布范围相对60°时的