V 型 金屬纏繞墊片由金屬(定型 V 型)和帶狀非金屬材料(柔性石墨或其他非金屬材料)交替纏繞復合制成 ,不僅具有鋼帶良好的抗壓縮和回彈性能 , 而且具有非金屬帶狀材料優(yōu)良的密封性能, 由此在石油、化工及航空航天等許多領域得到了廣泛的應用。但此類墊片在制造及使用方面仍存在著一些問題,需要進一步研究。文中通過試驗和數值模擬對其力學性能進行了研究, 其結論對此纏繞墊片的制造及使用具有一定的指導意義。
1壓縮回彈性能試驗
1.1 試驗條件 試驗墊片為 V 型金屬纏繞墊片, 試驗溫度為常溫,最高試驗應力為 30 MPa 。試驗裝置為自動剛性試驗裝置 ,試驗法蘭為剛性法蘭,按文獻[ 1] , 墊片技術要求及試驗方法應符合 GB 4622 .3—93《纏繞式墊片技術條件》規(guī)定。
1.2 試驗曲線分析 采用專門的程序對試驗數據進行跟蹤記錄 ,試驗可得到應力-變形曲線, 見圖 1 。圖 1 中橫坐標 δ 為壓縮變形量,縱坐標 σ為試驗應力。由圖 1 可以看出, 曲線起點距離原點有一定的距離,這是為了使位移傳感器更加靈敏而在試驗開始時人為的讓其具有一定位移量的結果。此外, 從此曲線中還可以看到一些多余的分支, 這是由于計算機反應較慢,使位移傳感器和壓力傳感器的信號不匹配或人為的加壓不穩(wěn)定所致, 但是其顯示的墊片應力-變形關系的總體趨勢是有規(guī)律的。加載曲線較平緩,說明墊片抗變形能力差,壓縮性較好。卸載曲線前期幾乎是平行于縱軸的直線, 只是到了末期 ,斜率很快減小 ,說明在低應力下, 回彈量增加 ,墊片回彈性好。
2數值模擬計算
2 .1 模擬計算 由于 V 型金屬纏繞墊片可以看作是一截面繞一軸線旋轉而成 ,在其任意截面上的受力情況可近似認為相同, 故可將其簡化為平面問題進行分析。在建模時可取其中的一截面作為分析模型, 鑒于建模簡單, 分別建立 V 型角度為 60°、90°、120°且墊片厚度和有效寬度相同的 3 個模型, 見圖 2 ～ 圖 4 。3 個模型在單元類型、材料屬性、約束載荷方面都是相同的。其單元類型均采用 plane42 , 材料為劃分采用自由劃分 ,模型下表面沿 y 方向固定, 上表面的位移耦合, 且上表面 y 向施加軸向載荷產生的應力為 30 MPa 。
2 .2 結果分析 V 型角度為 60°、90°、120°時, V 型金屬纏繞墊片受力后的應力區(qū)域分布情況見圖 5 ～ 圖 7 。 從圖5 可知,V 型角度為 60°的墊片最大應力值為57 .1 M Pa , 出現在墊片外側上邊緣的 MX 處;最小應力值為 7 .43 M Pa ,且出現在墊片內外兩側突出的尖角上(M N 處)。從圖 6 可以看到, 墊片應力的分布規(guī)律大致與圖 5 相同 ,墊片最大應力值為 54 .8 M Pa , 出現在墊片外側下邊緣的 MX 處;最小應力值為9 .30 MPa , 出現在墊片內外兩側突出的尖角上。只是墊片V 型角度為 90°時的最小應力的分布范圍相對 60°時的有所縮小。最大應力出現在墊片外側下邊緣的尖角處,且墊片內應力分布比 V 型角度為 60°時均勻穩(wěn)定,應力有所降低。從圖 7 可知 ,墊片的最大應力值為 64 .3 M Pa , 出現在墊片外側上、下邊緣的尖角處;最小應力值為 9 .80 MPa , 且出現在墊片內外兩側突出的尖角上 。相比以上 2 個角度 ,此時最小應力的分布范圍進一步縮小,最大應力出現在墊片外側上、下邊緣的尖角處,墊片內應力分布趨于穩(wěn)定 ,應力進一步降低。由此可以看出,隨著 V 型角度的逐漸增大 ,墊片最大、最小應力出現的范圍逐漸減小 , 內部的應力分布趨于均勻。此外, 還可以看出在纏繞墊片的外側最后一圈尖角處容易出現大應力集中現象, 因此, 一定要加強墊片的制作環(huán)節(jié), 在其最后一圈纏繞時一定要嚴,點焊要牢固。
3結語
試驗結果和數值模擬計算表明 , V 型 金屬纏繞墊片抗變形能力差 ,易發(fā)生散架和壓潰現象,但其在中低壓下的壓縮回彈性能較好。此外 ,隨著 V 型角度的逐漸增大,墊片內部的受力情況趨于穩(wěn)定, 平均應力逐漸減小,最大應力先降低后升高,且出現在墊片最外圈的上下邊緣處。因此, 設計角度時應采用優(yōu)化設計方法,使墊片的受力趨于合理,加工時應注意焊點的位置和加工的質量。 |
