預緊工況下雙錐環的有限元分析及優化

何家勝 黃瑞鋒 伍 偉

（武漢工程大學機電工程學院)

設計與計算

預緊工況下雙錐環的有限元分析及優化

何家勝*黃瑞鋒 伍 偉

（武漢工程大學機電工程學院)

建立某加氫反應器雙錐環結構的有限元模型，分析在預緊工況下，對雙錐面施加一定的預緊分布壓力后，雙錐環結構的厚度與錐角對其徑向壓縮位移的影響。研究結果表明，該雙錐環在預緊工況下能實現良好的密封，其徑向壓縮位移隨厚度的增加而減小，隨雙錐環錐角的增大而增大。

雙錐環 錐角 密封性能 有限元 徑向位移 預緊工況

0 序言

雙錐密封是一種半自緊密封形式，與僅依靠殘余預緊力的常用法蘭連接密封形式有較大差別，目前規范上僅僅給出了有限的幾種規格參數。當實際工程中雙錐密封的有關參數與規范中的參數不相對應時，就需要有效地調整參數，以保證密封效果。

本文主要探討雙錐密封的結構和密封原理，包括雙錐環的材質、厚度、高度、錐角、直徑、所受壓力等因素對密封效果的影響。結合某煉廠加氫反應器雙錐密封的具體情況，運用有限元數值分析方法求解預緊情況下雙錐環墊片處的壓緊力，雙錐環的形變、應力，并探討壓力波動情況下墊片處壓緊力的變化情況。圖1所示為該雙錐環的結構，其中試樣材料為35鋼，其彈性模量為212 000 MPa，泊松比為0.31，密封面預緊分布壓力為60.7 MPa，設計壓力為6.4 MPa。本文主要對內圓柱面直徑（Di）為975 mm和1 171 mm的標準雙錐環進行改進和研究。

1 雙錐面的結構及受力分析

雙錐環預緊狀態下的受力分析如圖2所示。在預緊狀態下，應保證密封面上的軟金屬墊片達到初始密封的條件，同時應使雙錐環產生徑向位移以消除雙錐環與平蓋支撐面之間的徑向間隙 （g）。

圖1 雙錐密封結構

圖2 預緊狀態下雙錐環受力分析

取軟金屬墊片為退火鋁材料，查資料得其預緊密封比壓 （y）為60.7 MPa，雙錐面上所受的法向壓緊力計算式為：

預緊時雙錐環發生收縮變形，與平蓋有相對滑動，雙錐環受到摩擦力 （Fm）作用，摩擦力方向如圖2所示，其計算式為：

而總螺栓預緊力 （W0）為Fm和雙錐面所受的正壓力 （N0）的合力在豎直方向上的分力，其計算式為：

表1為根據式（1）～式（4）得出的標準狀況下雙錐環基本參數表。

2 有限元分析

2.1 模型建立

本文只對雙錐環部分建立模型并進行分析。雙錐環為軸對稱結構，所以在ANSYS建模中可采用平面來表示空間軸對稱模型，如圖3、圖4所示。

2.2 網格劃分

雙錐環模型網格劃分如圖5所示，共有5426個節點，1741個單元。

表1 雙錐環基本參數

圖3 平面空間軸對稱模型

圖4 雙錐環三維模型

圖5 雙錐環模型網格劃分

2.3 邊界條件

模型中，需對上下錐面的法向方向進行約束，但因為該模型為空間軸對稱模型，所以只需對該平面的斜邊法向進行壓力分布即可，如圖6所示。由GB 150—2011《壓力容器》查得雙錐面的預緊分布壓力為60.7 MPa。

3 結果分析

3.1 整體位移分布情況

在預緊分布壓力的作用下，雙錐環的整體位移分布如圖7所示。由圖7可見，雙錐環位移分布并不均勻，最大位移出現在其內圓柱面的上下側。

3.2 改變雙錐環厚度對其徑向位移的影響

圖8～圖10是在其他參數條件不變的情況下，僅僅改變雙錐環厚度，其徑向位移的云圖比較。

圖6 雙錐環的邊界條件

圖7 雙錐環整體位移分布情況

圖8 厚度為23 mm標準雙錐環徑向位移分布云圖

通過GB 150—2011可知，徑向間隙g的取值范圍為 （0.075%～0.125%）D1，對于內徑D1為975 mm的雙錐環，g取平均值為0.975 mm。而預緊時應保證密封面上的軟金屬墊片達到初始密封條件，應使雙錐環產生徑向彈性壓縮以消除雙錐環與平蓋支撐面之間的徑向間隙。

圖9 厚度為23～26 mm的非標雙錐環徑向位移云圖

圖10 厚度為23～28 mm的非標雙錐環徑向位移云圖

圖8～圖10的最大徑向位移分別為1.45 mm、1.26 mm、1.16 mm，都大于 g（0.975 mm），所以設計是合理的，且徑向壓縮位移隨著雙錐環厚度的增加而逐漸減小。

為了能更清晰明了地反映雙錐環厚度與徑向位移的關系，可對4種不同內徑下雙錐環厚度與最大徑向位移的變化曲線作一比較，如圖11所示。

圖11 不同內徑下雙錐環厚度與最大徑向位移的關系

3.3 改變雙錐環錐角對其徑向位移的影響

圖12～圖13是在其他參數條件不變的情況下，僅僅改變雙錐環錐角，對其徑向位移影響的云圖比較。 由雙錐環截面形狀可知， [（A-C）/2]tanα＜B，代入數據可得 α＜51.2°。由圖8、圖12和圖13可知，錐角分別為30°、37.5°、45°時，徑向位移分別為1.45 mm、1.53 mm、1.64 mm，即徑向壓縮位移隨著雙錐環錐角的增大而逐漸增大。

圖12 厚度23 mm、錐角37.5°時雙錐環徑向位移云圖

圖13 厚度23 mm、錐角45°時雙錐環徑向位移云圖

4 結論

（1）在預緊載荷作用下，該雙錐環在一定范圍內可以實現良好的密封。

（2）在其他條件不變的情況下，徑向壓縮位移隨著雙錐環厚度的增加而逐漸減小，隨著雙錐環錐角的增大而逐漸增大。

（3）在特殊工況下，可以在一定范圍內改變標準雙錐環的厚度和錐角來適應該特殊工況。

[1]余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：水利水電出版社，2007.

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Finite Element Analysis and Optimization of Duplex Conical Rings under Pre-tightening Condition

He JiashengHuang RuifengWu Wei

A finite element model of duplex conical rings structure on a hydrogenation reactor was established.The influence of the thickness and conical angle of the duplex conical rings structure on its radial contraction was analyzed when a certain pre-tightening distribution pressure was applied to the duplex conical plane in the pre-tightening condition.The results showed that the duplex conical rings can achieve a good seal in the pretightening condition,and its radial shrinkage displacement decreased with the increase of thickness,and increased with the increase of the conical angle.

Duplex conical rings;Conical angle;Sealing performance;Finite element;Radial displacement;Pre-tightening condition

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.002

2016-11-09）

*何家勝，男，1958年生，教授。武漢市，430200。