对垫片进行有限元分析的螺栓法兰连接的密封性研究

本文翻译自：M. Murali Krishna, M.S.Shunmugam,N.Siva Prasad A study on the sealing performance of bolted flange joints with gaskets using finite elemen t analysis[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping2007(84):349-35 7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。

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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。

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（80mm NPS,Class 600,ASME/ANSI B16.5）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（80mm NPS,对焊，Class 600,ASME/ANSI B16.5）[5]和缠绕式垫片的尺寸。

此分析中考虑使用M20的螺栓。

图1 FEA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线和卸载曲线是一致的。

有限元程序ANSYS为垫片建模提供了大量的单元类型。

这些单元考虑了几何特性和材料非线性，忽略了薄膜和横向剪切。

因此压力-密封行为可以直接应用到垫片材料的特性中。

为了发现反过来用于有限元分析（FEA）中垫片材料的机械特性，进行了一项加载压缩力学试验（LCMT）[6,7]。

ANSYS软件可以输入LCMT数据点。

图2示出了不同螺旋缠绕垫片的材料特性。

在分析中，考虑根据螺旋缠绕垫片的两种不同卸载曲线中的非线性行为来预测垫片的非线性行为。

图2 试验获得的不同类型螺旋缠绕垫片的特性（a）石棉填充（b）石墨填充（c）聚四氟乙烯填充3 有限元建模3.1离散化使用ANSYS[8]建立了一个带有垫片的螺栓法兰接头的三维有限元模型。

这些接头有关于轴线对称的几何特性。

可以定义它们为关于对称轴以相同的间隔重复出现的主段。

考虑到其旋转对称，对于一个八螺栓的模型，考虑其四分之一（90°部分）的模型。

同样，对于六螺栓和十螺栓的模型，分别考虑其六分之一（60°）和五分之一（72°）部分。

图3示出了带有螺旋缠绕垫片和八个螺栓的螺栓法兰接头有限元分析的网格划分（四分之一模型）。

建立法兰的几何模型时使用实体单元（SOLID185）[9]。

图3. 带有螺旋缠绕垫片和八个螺栓的螺栓法兰接头的有限元网格3.2 垫片的建模建立垫片模型时使用接触单元（INTER195）[9]。

这些单元基于顶面和底面的相对变形，提供了一种直接量化垫片接头厚度范围内变形量的方法。

通过平均单元底面到顶面的节点对的坐标建立了一个单元中间平面。

垫片层单元中间平面的应力与垫片压力相等。

由于忽略了平面内的变形和横向剪切，对正常的垫片来说只有一个组件。

因此完整的垫片行为（垫片厚度范围内的变形）由一个压力-密封（垫片表面从顶部到底部的相对位移）关系来表征。

3.3 螺栓预紧用图4所示的预紧单元（PRETS179）来建立装配时由于预紧在螺栓接头中产生的载荷。

所有的预紧单元将有一个共同的预紧节点（K）。

这个节点是预紧单元的第三个节点，然而节点I和J在螺栓切片中面上。

预紧区域的A侧和B侧使用一个或多个预紧单元来连接，每个单元对应一个重复的节点对。

预紧节点（K）用来控制和监控总的拉伸载荷。

在第一阶段（拧紧螺栓），载荷以力的形式作用在预紧节点上。

这个力在第二阶段（加压）中锁定，允许额外的负载。

初始载荷的影响被保存为锁紧后的位移量。

将螺栓和螺母的螺纹建立成具有螺栓的小直径的无螺纹杆的一部分，为了避免网格划分时的难题，假设螺栓头部和螺母是圆柱形的。

图4 PRETS179单元（a）调整前（b）调整后3.4 接触面在本模型中，将螺栓和螺母视为一个单一实体，将法兰环视为一个独立的实体。

由于它们的载荷-变形特性不同，使用面-面接触单元来建立接触面模型以进行三维接触问题分析。

由于构件（法兰、垫片）和螺栓是可变形的，可以将它们视为灵活对灵活的类别。

考虑了螺栓头和法兰环接触面之间的接触，同时也考虑了螺母面和法兰环接触面之间的接触。

用没有滑动摩擦的选项来模拟接触面之间的相互作用。

由于法兰环比螺栓坚硬，将其建模为目标表面（TARGE170）[9]，将螺栓头和螺母面建为接触面（CONTA173）[9]。

接触单元本身就覆盖描述可变形体边界的实体单元。

当接触面接触时，这些单元连接接触面上具有高强度的节点或者缺口，当接触面分离时，这些单元连接接触面上低强度甚至强度为零的节点或缺口。

在进行了收敛性研究之后，将模型离散为24,396个实体单元、192个界面单元、160个预紧单元和612个接触单元，总共有32,642个节点。

3.5 加载以及边界条件有限元分析包括螺栓预紧工况和施加压力工况。

3.5.1 螺栓预紧工况螺栓预紧阶段的垫片法兰分析主要是获得其在装配阶段因夹紧力而获得的初始应力和变形。

由于旋转对称性，分析时将位移（边界条件）和载荷施加在单个部分上。

对于在圆柱坐标系（r,θ,z）中建立的模型，对八螺栓的模型，限制其在0°和90°面上的周向位移（Uθ=0）。

同样，对于六个螺栓和十个螺栓的模型，分别限制其沿0°面开始的60°面和72°面的周向位移。

在螺栓预紧阶段，仅通过预紧节点将预紧力（F）均匀地施加在预紧单元区域。

3.5.2施加压力工况除了螺栓预紧载荷外，垫片法兰的分析还要考虑内部压力。

由于内压，在接头上产生流体静压端部力和压力。

施加在管道系统封闭端的流体静压端部力的计算基于管道的内径，流体静压轴向力的计算基于垫片的内径。

流体静压轴向力和法兰内部流体静压端部力之间的区别在于压力大小。

流体静压端部力沿轴线方向均匀地施加在管道的一端，管道的另一端在轴向方向固定（U z=0）。

由于内压产生的力沿轴向均匀地施加在两法兰面的内表面上。

这个阶段同样也限制如在螺栓预紧条件下限制的周向位移（Uθ=0）。

考虑螺栓预紧阶段和加压阶段各有二十个载荷步。

发现二十个载荷步足够表征非线性行为并且给出两个阶段中应力值的收敛。

4. ASME规范下的法兰偏转在螺栓预紧载荷和反作用力影响下法兰的角位移称为法兰偏转。

这是就法兰横截面的中心进行衡量的。

ASME规范中有一个刚性指数“J”来检验法兰的偏转。

整体法兰（对焊）的刚度系数相当于法兰偏转的极限为0.3°。

由于随着内部压力的变化，法兰的偏转不是一个唯一值，这可能是不足够的。

当垫片接头受到内部压力时，随着压力试图将接头零件分开，垫片上的应力降低。

当应力降低时，由于其弹性性质垫片将扩展。

然而，在实际使用情况的负载下，它不会恢复到初始几何形状。

经验表明，加压情况下垫片降低的应力和初始应力同等重要。

当垫片应力过小时，接头可能泄露或者垫片从接头上吹出。