金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法
技术领域
1.本发明涉及金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法。
背景技术：
2.金属u-e密封由一个u形(主)密封和一个e形(副)密封组成，操作工况中介质填充至主密封腿之间，在保证工作状态下密封通道张开量小于密封回弹量的前提下具有自紧功能，主密封失效后，副密封具备一定二次密封能力，常见于液体火箭发动机高温、高压管路系统。密封泄漏是金属u-e密封法兰连接结构最常见的失效形式，准确评估其连接性能(密封性、强度、刚度)对于发动机管路系统安全性极为重要。金属密封环的密封性需要依据密封环预紧到工作状态的压缩-回弹响应、接触压力及接触宽度变化进行判定。密封环表面软金属镀层对压缩-回弹性能影响很小，但强烈影响着接触性能，镀层厚度(10-2
mm量级)与法兰连接结构存在显著的尺度差异，采用常规的计算策略难以在计算精度与计算代价之间做到平衡。
技术实现要素：
3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，基于金属u-e密封法兰的结构特征和载荷条件，建立了采用四级模型分别获取密封环自身压缩-回弹性能、密封环自身接触性能以及密封法兰连接结构在预紧及工作条件下应力、应变及变形响应的具体方法，形成了一套完整的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法。
4.本发明的技术方案是：金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，包括：
5.建立i级模型，开展密封环的压缩-回弹性能计算；所述i级模型中不建镀层，密封环被刚性面压缩；将密封环压缩至给定的压缩量后卸载，计算密封环加载卸载历程的轴向载荷-位移曲线；修改压缩量，重复计算n次，得到n个不同压缩量加载卸载过程的密封环轴向载荷-位移曲线；绘制回弹量-压缩量曲线；
6.建立ii级模型，开展密封环的接触性能计算；所述ii级模型中建立镀层，考虑镀层力学性能和厚度对接触特性的影响，密封环被刚性面压缩；将密封环压缩至给定的压缩量后卸载，计算压缩到位时沿密封唇上路径的接触压力分布以及压缩量卸除过程中不同张开量下密封唇上路径的接触压力分布；修改压缩量，重复计算m次，将得到的m组计算结果绘制密封唇平均接触压力—压缩位移曲线、密封唇接触宽度—压缩位移曲线；针对每一个压缩量，绘制密封唇平均接触压力—张开位移曲线、密封唇接触宽度—张开位移曲线；
7.建立iii级模型，开展密封环-法兰二维轴对称应力、应变及变形响应分析；所述iii级模型中不建镀层和螺栓，忽略法兰减重孔、螺栓孔，采用一对大小相等的作用力模拟螺栓对上、下法兰的压紧作用；计算预紧状态下密封环的压缩量、接触力、应力和应变分布，工作状态下密封环的接触力、应力和应变分布，以及工作状态下法兰张开量、应力和应变分布；
8.建立iv级模型，开展密封环-法兰-紧固件三维应力、应变及变形响应分析；所述iv
级模型中不建镀层，建立螺栓；计算预紧状态下密封环的压缩量、接触力、应力和应变分布，工作状态下密封环的接触力、应力和应变分布，工作状态下法兰张开量、应力和应变分布以及工作状态下紧固件轴向载荷、应力和应变分布。
9.所述建立i级模型，开展密封环的压缩-回弹性能计算，包括：
10.步骤101，提取密封环环向截面，u-e密封环沿轴向仍然具备对称面，仅保留密封环下半模型，相切于下主、副密封唇绘制一条直线作为压缩密封环的刚性面；
11.步骤102，建立密封环材料属性，输入密封环基体材料的弹性模量、泊松比以及真实应力-应变曲线；
12.步骤103，设置接触关系，在密封环与刚性面之间设置接触对，将刚性面设置为主接触面，密封唇、密封环限位面设置为从接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；
13.步骤104，采用四边形轴对称线性减缩积分单元对密封环几何模型进行网格划分；
14.步骤105，约束密封环轴向对称面的轴向位移；建立两个静态分析步：第一步用于在刚性面的参考点上施加轴向压缩位移，第二步用于卸除全部的轴向压缩位移；
15.步骤106，生成作业，运行模型计算；计算完成后，分别针对主、副密封唇，输出各自加载卸载历程的轴向载荷—位移曲线，计算当前压缩量下，压缩位移完全卸除后主、副密封唇各自的回弹量；回弹量＝压缩量-卸载后的剩余压缩量；
16.步骤107，修改压缩量，重复步骤106工作n次；基于计算结果，分别绘制主、副密封唇的回弹量-压缩量曲线。
17.压缩-回弹性能计算中使用了n个不同的压缩量对i级模型中的刚性面进行加载卸载，其中压缩量最大值＝密封环最大轴向高度-限位面轴向高度，0.25
×
压缩量最大值≤压缩量最小值≤0.5
×
压缩量最大值，最大值与最小值之间可均匀设置的中间值。
18.所述步骤104进行网格划分时满足的要求包括：
19.密封唇附近具有足够多的节点数，使能够描述密封唇圆弧形轮廓；
20.密封腿根部沿厚度方向有足够多的单元层数，使能够描述密封腿根部的应力、应变梯度；
21.刚性面设置为解析刚体，不进行网格划分。
22.所述建立ii级模型，开展密封环的接触性能计算，包括：
23.步骤201，按照步骤101建立二维轴对称几何模型；沿着密封唇轮廓线，在可能与刚性面发生接触的区域切出宽度等于镀层厚度的带状区域；
24.步骤202，建立密封环材料属性，输入密封环基体和镀层材料各自的弹性模量、泊松比以及真实应力-应变曲线；
25.步骤203，设置接触关系，密封环与刚性面之间设置接触对，将刚性面设置为主接触面，密封唇、密封环限位面设置为从接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；
26.步骤204，采用四边形轴对称线性减缩积分单元对密封环几何模型进行网格划分；
27.步骤205，约束密封环轴向对称面的轴向位移；建立两个静态分析步：第一步用于在刚性面的参考点上施加给定的轴向压缩量，第二步用于卸除全部的轴向压缩位移；
28.步骤206，生成作业，运行模型计算；计算完成后，输出第一个分析步结束时沿密封
唇外轮廓线上路径的接触压力，以及第二个分析步中轴向压缩量每卸除一定量时沿密封环主、副密封唇上路径的接触压力；
29.步骤207，修改压缩量，重复步骤206工作m次，分别绘制不同压缩量下沿主、副密封唇外轮廓线上路径的接触压力—位置曲线。
30.所述步骤207分别绘制不同压缩量下沿主、副密封唇外轮廓线上路径的接触压力—位置曲线，包括：针对每一个压缩量，绘制压缩量卸除过程中不同张开位移下沿主、副密封唇外轮廓线上路径的接触压力—距离曲线；基于得到的m组计算结果，绘制主密封唇平均接触压力—压缩位移曲线、主密封唇接触宽度—压缩位移曲线、副密封唇平均接触压力—压缩位移曲线、副密封唇接触宽度—压缩位移曲线；针对每一个压缩量，绘制主密封唇平均接触压力—张开位移曲线、主密封唇接触宽度—张开位移曲线、副密封唇平均接触压力—张开位移曲线、副密封唇接触宽度—张开位移曲线。
31.所述步骤204进行网格划分时的要求包括：
32.镀层区域内单元尺寸为0.001～0.01mm，沿镀层厚度方向不小于5层单元，镀层单元沿厚度方向尺寸为沿轮廓线方向2倍；
33.密封环其余部位单元尺寸为0.05～0.1mm；
34.镀层单元与基体单元之间以共节点处理；刚性面采用解析刚体，不进行网格划分。
35.所述建立iii级模型，开展密封环-法兰二维轴对称应力、应变及变形响应分析，包括：
36.步骤301，删除法兰上的螺栓孔，提取上、下法兰、密封环通过螺栓轴线位置的环向截面；
37.步骤302，建立密封环及法兰材料属性，输入密封环基体和法兰材料各自的弹性模量、泊松比以及真实应力-应变曲线；
38.步骤303，设置接触关系，在密封环与法兰环槽之间，上、下法兰配合位置之间设置接触对；密封环与法兰环槽接触对中，密封环为从接触面，法兰环槽为主接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；上、下法兰配合位置之间的接触对，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“面对面”；
39.步骤304，采用四边形轴对称线性减缩积分单元对密封环和法兰几何模型进行有限元网格划分，局部细化密封环和法兰环槽附近的有限元网格，密封环网格尺寸的要求同i级模型，接触对主、从面网格尺寸相同；
40.步骤305，依据法兰所在实际管路系统的刚度设置法兰边界；建立两个静态分析步：第一步用于施加预紧载荷，在上法兰与螺栓垫片压紧面切出垫片直径区域，在下法兰限位面切出螺栓孔区域，施加一对大小相等的力模拟预紧力；第二步用于施加工作载荷；
41.步骤306，生成作业，运行模型计算；计算完成后，输出第一步结束时主、副密封唇处的压缩量、接触力，密封环的应力和应变分布，输出第二步结束时主、副密封唇处的接触力，密封环的应力和应变分布，输出第二步结束时法兰与主、副密封唇接触位置的张开量，上、下法兰的应力和应变分布。
42.所述建立iv级模型，开展密封环-法兰-紧固件三维应力、应变及变形响应分析，包括：
43.步骤401，在密封-法兰-紧固件三维几何模型中切出包含一个螺栓的周期性对称
扇区，对其进行几何清理；
44.步骤402，建立密封环及法兰材料属性，输入密封环基体和法兰材料各自的弹性模量、泊松比以及真实应力-应变曲线；
45.步骤403，设置接触关系，在密封环与法兰密封环槽之间、上法兰与下法兰配合面之间、螺栓与螺栓孔壁之间、螺栓与垫片之间、垫片与上法兰之间设置接触对。密封环与法兰环槽接触对中，密封环为从接触面，法兰环槽为主接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“面对面”；
46.步骤404，采用二阶四面体单元结合六面体线性减缩积分单元对密封环-法兰-紧固件三维几何模型进行有限元网格划分，局部细化密封环和法兰环槽附近的有限元网格；
47.步骤405，依据法兰所在实际管路系统的刚度设置法兰边界，施加周期对称边界；建立两个静态分析步：第一步用于施加螺栓预紧力；第二步用于施加工作载荷；
48.步骤406，生成作业，运行模型计算；计算完成后，输出第一步结束时主、副密封唇处的压缩量、接触力，密封环的应力和应变分布，输出第二步结束时主、副密封唇处的接触力，密封环的应力和应变分布；输出第二步结束时法兰与主、副密封唇接触位置的张开量，上、下法兰的应力和应变分布，输出第二步结束时螺栓的轴向载荷。
49.所述n＝4～10；m＝4～10。
50.本发明的有益效果是：本发明建立的i级模型能够准确计算密封环自身的压缩-回弹性能；建立的ii级模型能够准确计算密封环的自身接触性能；建立的iii级模型能够快速计算密封环-法兰结构在预紧及操作工况中的变形和受力状态；建立的iv级模型为包含紧固件在内的三维周期对称模型，能够反映从预紧到工作状态紧固件作用在上、下法兰压紧力的变化，密封环-法兰结构沿环向压缩量、张开量、应力、应变等的差异，螺栓孔、减重孔带来的应力集中，从而精确计算密封环-法兰-紧固件结构在预紧及操作工况中的变形和受力状态。按照本发明提出的四级建模和分析方法，能够准确计算预紧及工作状态下金属密封法兰接触压力分布、接触宽度，对密封性进行全面评判；制定四级分析的执行流程后，可完成对金属u-e密封法兰结构的连接性能进行逐级评价、逐层优化，使用尽可能少的迭代次数和尽可能小的计算规模完成结构设计。
附图说明
51.图1为i级有限元模型图示；
52.图2为主密封唇轴向载荷—位移曲线；
53.图3为副密封唇轴向载荷—位移量曲线；
54.图4为主、副密封唇回弹量—压缩量曲线；
55.图5为ii级有限元模型密封唇附近局部网格及沿密封唇上路径-1图示；
56.图6为不同压缩量下沿主密封唇外轮廓线上路径的接触压力—路径距离曲线；
57.图7为不同压缩量下沿副密封唇外轮廓线上路径的接触压力—路径距离曲线；
58.图8为不同张开量下沿主密封唇外轮廓线上路径的接触压力—路径距离曲线；
59.图9为不同张开量下沿副密封唇外轮廓线上路径的接触压力—路径距离曲线；
60.图10为主密封唇触压力均值—压缩量曲线，接触宽度—压缩量曲线；
61.图11为副密封唇触压力均值—压缩量曲线，接触宽度—压缩量曲线；
62.图12为主密封唇触压力均值—张开量曲线，接触宽度—张开量曲线；
63.图13为副密封唇触压力均值—张开量曲线，接触宽度—张开量曲线；
64.图14为iii级有限元模型图示；
65.图15为iv级有限元模型图示；
具体实施方式
66.在有限元软件abaqus中建立i级有限元(轴对称压缩-回弹性能分析)模型，执行i级数值模拟，包含步骤101～107：
67.(1)步骤101，提取密封环环向截面，u-e密封环沿轴向仍然具备对称面，仅保留密封环下半模型，相切于下主、副密封唇绘制一条直线作为压缩密封环的刚性面，如附图1所示；
68.(2)步骤102，建立密封环材料属性，输入密封环基体材料的弹性模量、泊松比以及真实应力-应变曲线；
69.(3)步骤103，设置接触关系，在密封环与刚性面之间设置接触对，将刚性面设置为主接触面，密封唇、密封环限位面设置为从接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；
70.(4)步骤104，采用四边形轴对称线性减缩积分单元(cax4r)对密封环几何模型进行网格划分，要求：
71.1)密封唇附近具有足够多的节点数，使能够描述密封唇圆弧形轮廓；
72.2)密封腿根部沿厚度方向有足够多的单元层数，使能够描述密封腿根部的应力、应变梯度；
73.3)刚性面设置为解析刚体，不必进行网格划分；
74.(5)步骤105，约束密封环轴向对称面的轴向位移；建立两个静态分析步：第一步用于在刚性面的参考点上施加轴向压缩位移，第二步用于卸除全部的轴向压缩位移；
75.(6)步骤106，生成作业，提交分析；计算完成后，分别针对主、副密封唇，输出各自加载卸载历程的轴向载荷—位移曲线，计算当前压缩量下，压缩位移完全卸除后主、副密封唇各自的回弹量，如附图2和3所示，密封唇回弹量的计算方法为：
76.回弹量＝压缩量-卸载后的剩余压缩量；
77.(7)步骤107，修改压缩量，重复步骤106工作n次；基于计算结果，分别绘制主、副密封唇的回弹量-压缩量曲线，如附图4所示；
78.压缩-回弹性能计算中使用了n个不同的压缩量对i级模型中的刚性面进行加载卸载，其中压缩量最大值＝密封环最大轴向高度-限位面轴向高度，0.25
×
压缩量最大值≤压缩量最小值≤0.5
×
压缩量最大值，最大值与最小值之间可均匀设置的中间值；所述n＝4～10。
79.在有限元软件abaqus中建立ii级有限元(轴对称接触性能分析)模型，执行ii级数值模拟，包含步骤201～207：
80.(8)步骤201，按照步骤101建立二维轴对称几何模型；沿着密封唇轮廓线，在可能与刚性面发生接触的区域切出宽度等于镀层厚度的带状区域，如附图5所示；
81.(9)步骤202，建立密封环材料属性，输入密封环基体和镀层材料各自的弹性模量、
泊松比以及真实应力-应变曲线；
82.(10)步骤203，设置接触关系，密封环与刚性面之间设置接触对，将刚性面设置为主接触面，密封唇、密封环限位面设置为从接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；
83.(11)步骤204，采用四边形轴对称线性减缩积分单元(cax4r)对密封环几何模型进行网格划分，要求：
84.1)镀层区域内单元尺寸为0.001～0.01mm，沿镀层厚度方向不小于5层单元，镀层单元沿厚度方向尺寸为沿轮廓线方向2倍；
85.2)密封环其余部位单元尺寸为0.05～0.1mm，使得网格过渡合理，模型规模适当；
86.3)镀层单元与基体单元之间以共节点处理；
87.4)刚性面采用解析刚体，不必进行网格划分；
88.(12)步骤205，约束密封环轴向对称面的轴向位移；建立两个静态分析步：第一步用于在刚性面的参考点上施加给定的轴向压缩量，第二步用于卸除全部的轴向压缩位移；
89.(13)步骤206，生成作业，提交分析；计算完成后，输出第一步结束时沿密封唇外轮廓线上路径(路径-1，如附图5所示)的接触压力，以及第二步轴向压缩量每卸除一定量时(即相对于压紧状态，密封环每张开一定量)沿密封环主、副密封唇上路径的接触压力；
90.(14)步骤207，修改压缩量，重复步骤206工作m次，分别绘制不同压缩量下沿主、副密封唇外轮廓线上路径的接触压力—位置曲线，如附图6和7所示；针对每一个压缩量，绘制压缩量卸除过程中不同张开位移下沿主、副密封唇外轮廓线上路径的接触压力—距离曲线，如附图8和9所示；基于得到的m组计算结果，绘制主密封唇平均接触压力—压缩位移曲线、主密封唇接触宽度—压缩位移曲线、副密封唇平均接触压力—压缩位移曲线、副密封唇接触宽度—压缩位移曲线；针对每一个压缩量，绘制主密封唇平均接触压力—张开位移曲线、主密封唇接触宽度—张开位移曲线、副密封唇平均接触压力—张开位移曲线、副密封唇接触宽度—张开位移曲线，如附图10～13所示。
91.在有限元软件abaqus中建立iii级有限元模型，执行iii级数值模拟，包含步骤301～306：
92.(15)步骤301，删除法兰上的螺栓孔，提取(上、下)法兰、密封环通过螺栓轴线位置的环向截面，如附图14所示；
93.(16)步骤302，建立密封环及法兰材料属性，输入密封环基体和法兰材料各自的弹性模量、泊松比以及真实应力-应变曲线；
94.(17)步骤303，设置接触关系，在密封环与法兰环槽之间，上、下法兰配合位置之间设置接触对；密封环与法兰环槽接触对中，密封环为从接触面，法兰环槽为主接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；上、下法兰配合位置之间的接触对，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“面对面”；
95.(18)步骤304，采用四边形轴对称线性减缩积分单元(cax4r)对密封环和法兰几何模型进行有限元网格划分，局部细化密封环和法兰环槽附近的有限元网格，密封环网格尺寸的要求同i级模型，接触对主、从面网格尺寸相同；
96.(19)步骤305，依据法兰所在实际管路系统的刚度设置法兰边界；建立两个静态分析步：第一步用于施加预紧载荷，在上法兰与螺栓垫片压紧面切出垫片直径区域，在下法兰
限位面切出螺栓孔区域，施加一对大小相等的力模拟预紧力；第二步用于施加工作载荷，介质压力施加区域如附图14所示。
97.(20)步骤306，生成作业，提交分析；计算完成后，输出第一步结束时主、副密封唇处的压缩量、接触力，密封环的应力和应变分布，输出第二步结束时主、副密封唇处的接触力，密封环的应力和应变分布，输出第二步结束时法兰与主、副密封唇接触位置的张开量，上、下法兰的应力和应变分布。
98.在有限元软件abaqus中建立iv级有限元模型，执行iv级数值模拟，包含步骤401～406：
99.(21)步骤401，在密封-法兰-紧固件三维几何模型中切出包含一个螺栓的周期性对称扇区，对其进行几何清理；
100.(22)步骤402，建立密封环及法兰材料属性，输入密封环基体和法兰材料各自的弹性模量、泊松比以及真实应力-应变曲线；
101.(23)步骤403，设置接触关系，在密封环与法兰密封环槽之间、上法兰与下法兰配合面之间、螺栓与螺栓孔壁之间、螺栓与垫片之间、垫片与上法兰之间设置接触对。密封环与法兰环槽接触对中，密封环为从接触面，法兰环槽为主接触面，滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“节点对面”；滑移方程选“有限滑移”，离散方式选“面对面”；
102.(24)步骤404，采用二阶四面体单元(c3d10)结合六面体线性减缩积分单元(c3d8r)对密封环-法兰-紧固件三维几何模型进行有限元网格划分，局部细化密封环和法兰环槽附近的有限元网格，如附图15所示；
103.(25)步骤405，依据法兰所在实际管路系统的刚度设置法兰边界，施加周期对称边界；建立两个静态分析步：第一步用于施加螺栓预紧力；第二步用于施加工作载荷；
104.(26)步骤406，生成作业，提交分析；计算完成后，输出第一步结束时主、副密封唇处的压缩量、接触力，密封环的应力和应变分布，输出第二步结束时主、副密封唇处的接触力，密封环的应力和应变分布；输出第二步结束时法兰与主、副密封唇接触位置的张开量，上、下法兰的应力和应变分布，输出第二步结束时螺栓的轴向载荷。