特殊螺紋接頭密封面接觸壓力概率分布數(shù)值分析(編輯修改稿)
2025-07-22 11:59 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 示。為了保證阻塞這些空隙，接頭上扣時要涂抹帶金屬填料的螺紋脂，同時要保證密封面上有足夠的密封壓力，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生較大的彈性或塑性變形，建立密封面的全接觸狀態(tài)。經(jīng)過上卸扣后的密封面形貌如圖2所示，顯示密封面上產(chǎn)生了塑性變形，文獻(xiàn)[5]也提到了密封面上塑性變形的存在。因此接觸壓力必須達(dá)到一定程度，才能完全阻塞密封面上的凸凹不平。如果接觸長度太短，局部凸凹的存在使得空隙很難完全被阻塞。為了分析金屬密封面密封的可靠性，首先要知道在上述參數(shù)隨機(jī)變化的條件下，接頭密封性能的分布，也即密封面接觸壓力和接觸長度的概率分布情況。 （a）機(jī)加工原始形貌 （b）噴丸處理后的形貌圖1 密封面微觀形貌 （a）機(jī)加工原始形貌變形 （b）噴丸處理后的形貌變形圖2 上卸扣后密封面微觀形貌由于特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時還要考慮材料、接觸的非線性，從理論上分析接觸壓力的概率分布是不可能的，必須引入數(shù)值方法。目前有幾個大型有限元分析軟件都提供了數(shù)值分析目的參數(shù)概率分布的功能。以ANSYS軟件為例，它的概率設(shè)計系統(tǒng)（PDS，Probabilistic Design System）可用來評估模型的輸入?yún)?shù)或假設(shè)條件的不確定性對于結(jié)果的影響，確定由于模型的某些因素不確定而引起結(jié)果的變化程度。PDS認(rèn)為分析模型的任何一個輸入數(shù)值都是某個范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)（或者說存在某種程度上的不確定性），這種隨機(jī)情況主要由設(shè)計及加工控制能力確定。用PDS分析特殊接頭密封可靠性的過程為：1）按靜力分析過程建立參數(shù)化有限元模型，并進(jìn)行一次靜力分析。2）進(jìn)入PDS模塊，指定利用上述靜力計算文件為概率分析文件。3）指定對密封壓力可能有影響的參數(shù)為隨機(jī)輸入?yún)?shù)，并給出分布參數(shù)。分布參數(shù)可根據(jù)工廠大量檢測數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析得到。4）指定最大密封接觸壓力和密封面接觸長度為目的參數(shù)。5）利用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬分析。6）對目的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，確定主要影響參數(shù)。7）對目的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，確認(rèn)分布類型，計算密封可靠度。密封面接觸壓力概率分析示例按上述步驟， N80鋼級的某種特殊接頭進(jìn)行密封可靠性分析。根據(jù)對大量全尺寸試驗(yàn)結(jié)果的分析，拉伸載荷對密封性能的影響最大，多數(shù)泄漏現(xiàn)象是在較大的拉伸載荷作用時發(fā)生的。因此主要考慮在軸向拉伸載荷作用下接頭的密封可靠性。建立有限元模型時，忽略螺紋螺旋升角的影響，將接頭視為軸對稱結(jié)構(gòu)，采用大變形彈塑性非線性有限元方法進(jìn)行分析，選用的面單元類型為軸對稱三角形單元，接觸類型為有摩擦的自由滑動，采用稀疏矩陣求解器。選取的影響參數(shù)及取值范圍見表1，參數(shù)說明如圖3所示。有限元模型如圖4，在接箍中部施加對稱位移約束，在管體端部施加拉伸載荷。利用ANSYS軟件進(jìn)行特殊螺紋接頭密封接觸壓力概率分析，難點(diǎn)是如何自動建立特殊螺紋接頭模型，包括幾何模型、自動建立接觸、確定目標(biāo)參數(shù)等，尤其是外螺紋的黑皮螺紋的處理更是關(guān)鍵，否則就會導(dǎo)致不收斂、單元變形過大等問題，分析不下去。經(jīng)過對建模過程優(yōu)化，本文保證了所有黑皮螺紋齒頂
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