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近年来随着工业发展和科技进步高压容器使用场景逐渐增大使用环境越发苛刻如高温、高压以及内部压力的波动这都对容器端面密封性能的要求更为严格。端面密封所用的密封件必须具备优良的回弹性能和耐化学性能。目前常用的密封件由橡胶O形圈、金属密封圈、弹簧蓄能密封圈以及PTFE密封圈等。
研究内容
PTFE密封圈尽管容易蠕变和老化但由于其自身良好的化学稳定性以及耐高低温性能广泛应用于各大行业的密封场合图1显示了密封圈压缩-卸载过程中的密封特性。与橡胶等超弹性材料不同PTFE密封圈在压缩过程会产生塑性变形卸载后不能完全恢复到初始状态。B 点是压缩阶段 A-B-C 中达到密封介质压力所需接触应力的最小值C点处矩形圈达到最佳密封性能。在卸载阶段 C-D-E中点D是密封失效所需接触应力的阈值。在仿真中认为当密封面上的最大接触应力低于密封的介质压力时密封就会失效。同时当介质压力迫使密封面分离时被压缩的矩形圈必须发生回弹来补偿由分离引起的应力损失保证密封面间的接触应力始终高于密封的介质压力这要求矩形圈在初始压缩下必须具有足够的回弹量。等效应力Von-Mises 应力可以用来评价材料是否发生屈服此外等效应力越大的区域密封圈产生裂纹或永久变形的风险就越大 图1.密封圈压缩-回弹过程中的密封特性
数值模拟
考虑到密封结构和受力的对称性可以将其简化为图中的二维轴对称模型进行仿真分析。当密封件没有沟槽限制时可使用图2左的模型进行仿真分析当密封圈放置在沟槽时采用图2右的模型仿真进行分析。 图2.有限元模型
密封圈的材料为PTFE在压缩过程中存在塑性变形采用双线性等向硬化模型来表征材料的力学性能。 图3.材料本构模型
共设置两对接触1盖板与密封圈之间的接触2沟槽与密封圈之间的接触。密封圈表面为接触面盖板及沟槽的表面设置为目标面接触类型设置为摩擦接触摩擦系数取0.1接触行为设置为非对称接触算法选择增广拉格朗日开启大变形因在计算过程中伴随着材料和结构的非线性将牛顿-拉普森选项设置为非线性。在模拟矩形圈压缩-回弹过程时限制沟槽的全部自由度设置三个载荷步将压缩过程分为两步为了防止初始压缩幅值过大接触面与目标面间发生穿透导致结果异常第一步对盖板施加向下较小的位移幅值在该步骤中盖板的位移幅值从0mm 变为0.001mm下一步将盖板的位移幅值从 0.001 mm毫米更改为达到指定压缩率所需的位移幅值此时可以施加介质压力介质压力需使用APDL语言中的ldquo;sferdquo;命令来加载流体渗透压力它可以根据接触状态自适应地调整加载区域以此尽可能真实的地模拟密封过程。第三步中撤去介质压力将位移幅度设置为0 mm用于模拟卸载过程。主要结果如下 图4.密封圈压缩后的等效应力分布介质压力为0 图5.密封圈压缩后的接触应力分布介质压力为0 图6.密封圈压缩后的等效应力分布介质压力为30 MPa 图7.密封圈压缩后的接触应力分布介质压力为30MPa
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