技术特征：
1.金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于包括：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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：所述建立i级模型，开展密封环的压缩-回弹性能计算，包括：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；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；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”；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；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；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；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。3.根据权利要求2所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：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。4.根据权利要求2所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：所述步骤104进行网格划分时满足的要求包括：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；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；刚性面设置为解析刚体，不进行网格划分。5.根据权利要求2所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：所述建立ii级模型，开展密封环的接触性能计算，包括：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；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；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”；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；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；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；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。6.根据权利要求5所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：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。7.根据权利要求5所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：所述步骤204进行网格划分时的要求包括：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；密封环其余部位单元尺寸为0.05～0.1mm；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。8.根据权利要求1所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：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：
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；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；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”；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；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；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。9.根据权利要求1所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：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：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；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；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”；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；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；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。10.根据权利要求1-9任一所述的金属u-e密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，其特征在于：所述n＝4～10；m＝4～10。
技术总结
本发明金属U-E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法，基于金属U-E密封法兰的结构和载荷特征，提供了在有限元软件ABAQUS中建立四级模型的简化策略，材料、边界、载荷、接触关系的设置方法，网格划分原则以及计算结果输出要求，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，形成完整的金属U-E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法。兰连接性能的分级数值模拟方法。兰连接性能的分级数值模拟方法。
技术研发人员：姜薇 张晓军 霍世慧 许红卫 韩帅 闫方琦 杨全洁 王振
受保护的技术使用者：西安航天动力研究所
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/22