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(fù)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(shù)值模擬對其力學(xué)性能進行了研究, 其結(jié)論對此纏繞墊片的制造及使用具有一定的指導(dǎo)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(yīng)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(shù)要求及試驗方法應(yīng)符合 GB 4622 .3—93《纏繞式墊片技術(shù)條件》規(guī)定。
1.2 試驗曲線分析 采用專門的程序?qū)υ囼灁?shù)據(jù)進行跟蹤記錄 ,試驗可得到應(yīng)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(yīng)力-變形關(guān)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(yīng)力下, 回彈量增加 ,墊片回彈性好。
2數(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)生的應(yīng)力為 30 MPa 。
2 .2 結(jié)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(yīng)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(yīng)力值為57 .1 M Pa , 出現(xiàn)在墊片外側(cè)上邊緣的 MX 處;最小應(yīng)力值為 7 .43 M Pa ,且出現(xiàn)在墊片內(nèi)外兩側(cè)突出的尖角上(M N 處)。從圖 6 可以看到, 墊片應(yīng)力的分布規(guī)律大致與圖 5 相同 ,墊片最大應(yīng)力值為 54 .8 M Pa , 出現(xiàn)在墊片外側(cè)下邊緣的 MX 處;最小應(yīng)力值為9 .30 MPa , 出現(xiàn)在墊片內(nèi)外兩側(cè)突出的尖角上。只是墊片V 型角度為 90°時的最小應(yīng)力的分布范圍相對 60°時的有所縮小。最大應(yīng)力出現(xiàn)在墊片外側(cè)下邊緣的尖角處,且墊片內(nèi)應(yīng)力分布比 V 型角度為 60°時均勻穩(wěn)定,應(yīng)力有所降低。從圖 7 可知 ,墊片的最大應(yīng)力值為 64 .3 M Pa , 出現(xiàn)在墊片外側(cè)上、下邊緣的尖角處;最小應(yīng)力值為 9 .80 MPa , 且出現(xiàn)在墊片內(nèi)外兩側(cè)突出的尖角上 。相比以上 2 個角度 ,此時最小應(yīng)力的分布范圍進一步縮小,最大應(yīng)力出現(xiàn)在墊片外側(cè)上、下邊緣的尖角處,墊片內(nèi)應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定 ,應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)的范圍逐漸減小 , 內(nèi)部的應(yīng)力分布趨于均勻。此外, 還可以看出在纏繞墊片的外側(cè)最后一圈尖角處容易出現(xiàn)大應(yīng)力集中現(xiàn)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(jié)語
試驗結(jié)果和數(shù)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(xiàn)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(nèi)部的受力情況趨于穩(wěn)定, 平均應(yīng)力逐漸減小,最大應(yīng)力先降低后升高,且出現(xiàn)在墊片最外圈的上下邊緣處。因此, 設(shè)計角度時應(yīng)采用優(yōu)化設(shè)計方法,使墊片的受力趨于合理,加工時應(yīng)注意焊點的位置和加工的質(zhì)量。 |
