V 型金属缠绕垫片由金属(定型 V 型)和带状非金属材料(柔性石墨或其他非金属材料)交替缠绕复合制成 ,不仅具有钢带良好的抗压缩和回弹性能 , 而且具有非金属带状材料优良的密封性能, 由此在石油、化工及航空航天等许多领域得到了广泛的应用。但此类垫片在制造及使用方面仍存在着一些问题,需要进一步研究。文中通过试验和数值模拟对其力学性能进行了研究, 其结论对此缠绕垫片的制造及使用具有一定的指导意义。

1压缩回弹性能试验

1.1  试验条件

试验垫片为 V 型金属缠绕垫片, 试验温度为常温,最高试验应力为 30 MPa 。试验装置为自动刚性试验装置 ,试验法兰为刚性法兰,按文献[ 1] , 垫片技术要求及试验方法应符合 GB 4622 .3—93《缠绕式垫片技术条件》规定。 

1.2 试验曲线分析

采用专门的程序对试验数据进行跟踪记录 ,试验可得到应力-变形曲线, 见图 1 。图 1 中横坐标 δ 为压缩变形量,纵坐标 σ为试验应力。由图 1 可以看出, 曲线起点距离原点有一定的距离,这是为了使位移传感器更加灵敏而在试验开始时人为的让其具有一定位移量的结果。此外, 从此曲线中还可以看到一些多余的分支, 这是由于计算机反应较慢,使位移传感器和压力传感器的信号不匹配或人为的加压不稳定所致, 但是其显示的垫片应力-变形关系的总体趋势是有规律的。加载曲线较平缓,说明垫片抗变形能力差,压缩性较好。卸载曲线前期几乎是平行于纵轴的直线, 只是到了末期 ,斜率很快减小 ,说明在低应力下, 回弹量增加 ,垫片回弹性好。

2数值模拟计算

2 .1  模拟计算

由于 V 型金属缠绕垫片可以看作是一截面绕一轴线旋转而成 ,在其任意截面上的受力情况可近似认为相同, 故可将其简化为平面问题进行分析。在建模时可取其中的一截面作为分析模型, 鉴于建模简单, 分别建立 V 型角度为 60°、90°、120°且垫片厚度和有效宽度相同的 3 个模型, 见图 2 ～ 图 4 。3 个模型在单元类型、材料属性、约束载荷方面都是相同的。其单元类型均采用 plane42 , 材料为划分采用自由划分 ,模型下表面沿 y 方向固定, 上表面的位移耦合, 且上表面 y 向施加轴向载荷产生的应力为 30 MPa 。

2 .2  结果分析

V 型角度为 60°、90°、120°时, V 型金属缠绕垫片受力后的应力区域分布情况见图 5 ～ 图 7 。

从图5 可知,V 型角度为 60°的垫片最大应力值为57 .1 M Pa , 出现在垫片外侧上边缘的 MX 处;最小应力值为 7 .43 M Pa ,且出现在垫片内外两侧突出的尖角上(M N 处)。从图 6 可以看到, 垫片应力的分布规律大致与图 5 相同 ,垫片最大应力值为 54 .8 M Pa , 出现在垫片外侧下边缘的 MX 处;最小应力值为9 .30 MPa , 出现在垫片内外两侧突出的尖角上。只是垫片V 型角度为 90°时的最小应力的分布范围相对 60°时的有所缩小。最大应力出现在垫片外侧下边缘的尖角处,且垫片内应力分布比 V 型角度为 60°时均匀稳定,应力有所降低。从图 7 可知 ,垫片的最大应力值为 64 .3 M Pa , 出现在垫片外侧上、下边缘的尖角处;最小应力值为 9 .80 MPa , 且出现在垫片内外两侧突出的尖角上 。相比以上 2 个角度 ,此时最小应力的分布范围进一步缩小,最大应力出现在垫片外侧上、下边缘的尖角处,垫片内应力分布趋于稳定 ,应力进一步降低。由此可以看出,随着 V 型角度的逐渐增大 ,垫片最大、最小应力出现的范围逐渐减小 , 内部的应力分布趋于均匀。此外, 还可以看出在缠绕垫片的外侧最后一圈尖角处容易出现大应力集中现象, 因此, 一定要加强垫片的制作环节, 在其最后一圈缠绕时一定要严,点焊要牢固。

3结语

试验结果和数值模拟计算表明 , V 型金属缠绕垫片抗变形能力差 ,易发生散架和压溃现象,但其在中低压下的压缩回弹性能较好。此外 ,随着 V 型角度的逐渐增大,垫片内部的受力情况趋于稳定, 平均应力逐渐减小,最大应力先降低后升高,且出现在垫片最外圈的上下边缘处。因此, 设计角度时应采用优化设计方法,使垫片的受力趋于合理,加工时应注意焊点的位置和加工的质量。