马璇涛

(西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065)

螺栓法兰是化工压力容器和管道连接中常用的密封元件，一般由法兰盘、垫片、螺栓三部分组成，具有拆卸方便、密封性能良好、可替换性高等优点[1-2]，其密封原理是通过螺栓预紧力使法兰压紧垫片，利用垫片的压缩回弹特性达到密封的效果。压缩回弹性能是垫片的基本力学性能，密封效果的好坏主要取决于垫片的压缩回弹性能[3]。利用ANSYS Workbench有限元软件对常温下金属八角垫片的压缩回弹特性进行模拟，绘制金属垫片在常温下的压缩回弹特性曲线图，为法兰连接密封性数值模拟研究提供一定的参考。

1 有限元模型的建立

1.1 模型尺寸与材料性能

本文所研究的金属八角垫片选自HG 20612-97《钢制管法兰用金属环垫(欧洲体系)》标准规范，选择的法兰为带颈对焊法兰，公称直径为150 mm，公称压力为25 MPa，密封面为环连接面。将法兰简化为平板，直径为120 mm，厚度为78 mm，由于模型的结构和受载具有轴对称性，因此建立二维轴对称有限元模型。模型如图1所示。

图1 二维模型结构Fig.1 Structure of two-dimensional model

法兰材料为1Cr18Ni9Ti，垫片材料为0Cr18Ni9。假设材料为各向同性，垫片材料选择双线性等向强化弹塑性模型，切线模量设置为弹性模量的百分之一，具体材料性能参数见表1。

表1 材料性能参数Table 1 Material performance parameters

1.2 网格划分与接触设置

在建立有限元模型的过程中，网格划分是一个非常重要的环节[4-6]。由于本文所用模型是一个二维轴对称模型，并且计算结果只与垫片有关，因此可以将法兰的网格单元尺寸设置的较大一些，将垫片的网格单元尺寸设置的较小一些。……