海底管道连接器密封环密封性能有限元分析
发布时间：2021-03-03 21:54
海底管道连接器中金属密封环需具备良好的回弹特性并提供稳定可靠的接触载荷,才能保证有效密封。而对于复杂的非线性结构,因不能预知密封环预紧安装后的形变,针对其进行理论计算难度大且易产生误差。为研究连接器中金属密封环的接触性能和回弹性能,借助有限元软件Abaqus建立连接器中密封结构的二维轴对称模型,分析初始压缩率对不同径厚比密封环密封性能的影响。以密封环应力状态、压缩回弹量、接触应力依次表征其损伤情况、回弹特性及密封可靠性,并结合三者与初始压缩率的关系,确定预紧安装过程中压缩率的可行性区间。结果表明:密封环损伤易发生于密封环椭圆截面长半轴端点两侧;随着初始压缩率增大,压缩回弹量先增大后减小,薄壁密封环的回弹性能优于同外径的厚壁密封环;薄壁密封环对应初始压缩率的可行性区间远大于同外径的厚壁密封环,证明薄壁密封环密封性能优于厚壁密封环。该结论为密封环选型及预紧安装提供了相关依据。
【文章来源】：润滑与密封. 2020,45(08)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
密封环受压过程
海底管道连接器的结构剖视图如图2所示,线框范围内为密封分析的主要部位。该连接器中两密封环尺寸相同,密封环之间有可移动的滑块。在预紧安装过程中,内法兰固定,拧紧螺栓使外法兰向内法兰靠近,从而挤压密封环迫使其变形,当密封环变形量超过管道与连接器之间的初始间隙而接触管道时实现密封。因安装误差,初始间隙是必然存在的,文中设置初始间隙为1 mm。密封环材料为304不锈钢,其材料参数如表1所示。
连接器密封结构的几何形状、载荷及边界条件都是对称的,故将其简化为二维轴对称模型,对称轴为连接器中轴线。密封环的有限元分析涉及几何非线性、材料非线性及接触非线性。有限元模型中,以连接器轴线方向为x轴,连接器径向为y轴,选取密封环、管道、法兰及滑块为研究对象,其中管道、法兰及滑块的强度远高于密封环,故将其定义为刚体,将两密封环定义为变形体,依次定义两密封环环向密封面为1～8,如图3所示。密封环受压变形为网格扭曲的大变形问题,应采用细网格剖分的线性减缩积分单元,故网格划分中采用4节点双线性轴对称四边形单元CAX4R,计算中打开大变形,刚体构件不需划分网格。简化成有限元模型如图3所示。将已经接触或在分析中可能接触的表面定义为密封面,以刚体构件表面为主面,两密封环表面为从面,两密封环分别与管道、法兰、滑块之间建立接触,摩擦因数设置为0.15。对于刚体构件,在其耦合点上施加约束,约束管道与内法兰各方向的位移及转动,约束外法兰在y轴方向的位移及转动,在x轴方向施加位移载荷,模拟螺栓的拧紧过程与卸载过程,滑块设置惯性量,不设置其他约束。
【参考文献】：
期刊论文
[1]深海油气管道连接器密封机理与多目标优化研究[J]. 王立权,魏宗亮. 天然气工业. 2016(08)
[2]反应堆压力容器法兰面沟槽尺寸参数对其金属O形环密封性能的影响[J]. 沈明学,李文静,谢林君,励行根,魏世军,彭旭东. 原子能科学技术. 2016(03)
[3]反应堆压力容器用Inconel 718合金O形环密封性能[J]. 沈明学,谢林君,赵丽娜,励行根,王燕,彭旭东. 上海交通大学学报. 2015(12)
[4]橡胶硬度和动环斜度对单金属密封性能的影响[J]. 张晓东,周权,张毅,祝伟彪,杨韬. 润滑与密封. 2015(08)
[5]橡胶O形圈密封性能的有限元分析[J]. 关文锦,杜群贵,刘丕群. 润滑与密封. 2012(06)
[6]O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟[J]. 李振涛,孙鑫晖,张玉满,郝木明. 润滑与密封. 2011(09)
[7]某型号飞机伺服作动器中O形圈的有限元分析[J]. 刘兵,张进国,陈军,王兴贵. 润滑与密封. 2011(06)
[8]橡胶O形密封圈最大接触压力数值分析[J]. 刘健,仇性启,薄万顺,许俊良. 润滑与密封. 2010(01)
[9]不锈钢与铝合金材料之间密封用O形环性能分析[J]. 刘声,盛选禹,周丹. 原子能科学技术. 2009(02)
[10]Inconel718合金O形环回弹特性研究[J]. 余伟炜,蔡力勋,叶裕明,左国. 工程力学. 2006(06)
硕士论文
[1]反应堆压力容器金属O形密封环的数值模拟与试验研究[D]. 赵丽娜.浙江工业大学 2014
[2]水下卡箍式连接器样机设计及密封性能研究[D]. 张媛.哈尔滨工程大学 2014
[3]卡压式机械连接器密封性能分析与连接机具优化设计研究[D]. 魏宗亮.哈尔滨工程大学 2013
[4]卡压式机械连接器密封性能及安装技术研究[D]. 付创业.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3061995
【文章来源】：润滑与密封. 2020,45(08)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
密封环受压过程
海底管道连接器的结构剖视图如图2所示,线框范围内为密封分析的主要部位。该连接器中两密封环尺寸相同,密封环之间有可移动的滑块。在预紧安装过程中,内法兰固定,拧紧螺栓使外法兰向内法兰靠近,从而挤压密封环迫使其变形,当密封环变形量超过管道与连接器之间的初始间隙而接触管道时实现密封。因安装误差,初始间隙是必然存在的,文中设置初始间隙为1 mm。密封环材料为304不锈钢,其材料参数如表1所示。
连接器密封结构的几何形状、载荷及边界条件都是对称的,故将其简化为二维轴对称模型,对称轴为连接器中轴线。密封环的有限元分析涉及几何非线性、材料非线性及接触非线性。有限元模型中,以连接器轴线方向为x轴,连接器径向为y轴,选取密封环、管道、法兰及滑块为研究对象,其中管道、法兰及滑块的强度远高于密封环,故将其定义为刚体,将两密封环定义为变形体,依次定义两密封环环向密封面为1～8,如图3所示。密封环受压变形为网格扭曲的大变形问题,应采用细网格剖分的线性减缩积分单元,故网格划分中采用4节点双线性轴对称四边形单元CAX4R,计算中打开大变形,刚体构件不需划分网格。简化成有限元模型如图3所示。将已经接触或在分析中可能接触的表面定义为密封面,以刚体构件表面为主面,两密封环表面为从面,两密封环分别与管道、法兰、滑块之间建立接触,摩擦因数设置为0.15。对于刚体构件,在其耦合点上施加约束,约束管道与内法兰各方向的位移及转动,约束外法兰在y轴方向的位移及转动,在x轴方向施加位移载荷,模拟螺栓的拧紧过程与卸载过程,滑块设置惯性量,不设置其他约束。
【参考文献】：
期刊论文
[1]深海油气管道连接器密封机理与多目标优化研究[J]. 王立权,魏宗亮. 天然气工业. 2016(08)
[2]反应堆压力容器法兰面沟槽尺寸参数对其金属O形环密封性能的影响[J]. 沈明学,李文静,谢林君,励行根,魏世军,彭旭东. 原子能科学技术. 2016(03)
[3]反应堆压力容器用Inconel 718合金O形环密封性能[J]. 沈明学,谢林君,赵丽娜,励行根,王燕,彭旭东. 上海交通大学学报. 2015(12)
[4]橡胶硬度和动环斜度对单金属密封性能的影响[J]. 张晓东,周权,张毅,祝伟彪,杨韬. 润滑与密封. 2015(08)
[5]橡胶O形圈密封性能的有限元分析[J]. 关文锦,杜群贵,刘丕群. 润滑与密封. 2012(06)
[6]O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟[J]. 李振涛,孙鑫晖,张玉满,郝木明. 润滑与密封. 2011(09)
[7]某型号飞机伺服作动器中O形圈的有限元分析[J]. 刘兵,张进国,陈军,王兴贵. 润滑与密封. 2011(06)
[8]橡胶O形密封圈最大接触压力数值分析[J]. 刘健,仇性启,薄万顺,许俊良. 润滑与密封. 2010(01)
[9]不锈钢与铝合金材料之间密封用O形环性能分析[J]. 刘声,盛选禹,周丹. 原子能科学技术. 2009(02)
[10]Inconel718合金O形环回弹特性研究[J]. 余伟炜,蔡力勋,叶裕明,左国. 工程力学. 2006(06)
硕士论文
[1]反应堆压力容器金属O形密封环的数值模拟与试验研究[D]. 赵丽娜.浙江工业大学 2014
[2]水下卡箍式连接器样机设计及密封性能研究[D]. 张媛.哈尔滨工程大学 2014
[3]卡压式机械连接器密封性能分析与连接机具优化设计研究[D]. 魏宗亮.哈尔滨工程大学 2013
[4]卡压式机械连接器密封性能及安装技术研究[D]. 付创业.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3061995
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