V形卡箍密封性能数值仿真

V形卡箍密封性能数值仿真
作者：谭海司庆九
来源：《计算机辅助工程》2013年第05期
摘要：为研究V形卡箍箍带厚度、V形槽厚度和螺栓预紧力对排气系统密封性能的影响，对V形卡箍密封性能进行有限元仿真.提出V形卡箍提供的轴向力是评价其密封性能的重要指标，结果表明卡箍结构及其螺栓预紧力是卡箍密封性能和结构可靠性的决定因素.
关键词： V形卡箍；密封性能；轴向力；结构可靠性
中图分类号： U464.135；TB115.1文献标志码： B
0引言
卡箍连接已逐步取代焊接和法兰这2种传统的管道连接方式，成为当前气体、液体管道连接的首推技术.尽管这项技术在国内的开发时间晚于国外，但由于其造型美观、使用方便、紧箍力强、密封性能好等特点此，广泛应用于汽车、船舶和汽油机等各种机械设备接口处的连接紧固及密封.
根据不同的结构形式，卡箍可分为V形带圈卡箍、T形螺杆卡箍、FLEXGEAR型卡箍、高性能蜗杆式卡箍、弹簧带圈卡箍、快速松紧卡箍、强力卡箍、单耳无级卡箍以及耳箍等.其中，V形卡箍为任何凸缘法兰面提供一种安全可靠的连接，在卡箍选型中属于重负荷型.[1]
研究V形卡箍密封性能及其可靠性，必须对V形卡箍进行非线性数值分析.非线性分析是结构分析的难点，也是结构分析中的重点.数值非线性分析包括接触非线性、材料非线性和几何非线性等.[23]在施加螺栓预紧力的过程中，V形卡箍与被连接件接触表面非线性变化，为接触非线性.排气系统工作温度一般在800℃以上，其材料的弹性模量、热导率、热膨胀系数、屈服强度和切变模量等都会随温度的升高而非线性变化，呈现材料非线性.[45]在较大螺栓预紧力和高温状态下，卡箍常造成较大的塑性变形.因此，研究卡箍在高温和不同预紧力作用下是否满足设计要求，有非常重要的现实意义.[6]
由于空间位置限制某型发动机排气系统增压器和三元催化器进口端锥，采用V形卡箍进行密封连接.本文用Abaqus对V形卡箍结构进行数值仿真分析，通过研究箍带厚度、V形槽宽度及其厚度和螺栓预紧力等对卡箍密封性能的影响，找出在高温条件下满足排气系统密封和结构可靠性的3个结构参数，并进行试验验证.
1结构的数学模型
V形卡箍与增压器和进口端锥的连接形式见图1，图中，增压器壳体与进口端锥相接触的面为2个相切的球面，目的是让这2个接触面更好地贴合，防止排气系统漏气.V形卡箍的工作原理见图2.
卡箍施加螺栓预紧力，会使卡箍沿径向产生一个强迫位移s，s的大小由外面箍带的刚度、V形槽刚度和里面法兰面的刚度共同决定.s可分解为垂直于V形槽方向的强迫位移s1和沿着V形槽方向的强迫位移s2.s1主要提供2个球面的接触压力，s2主要提供阻止V形槽向径向运动的摩擦力.若s很大，会使V形槽发生较大的塑性变形，卡箍提供的夹紧力反而降低.因此，在满足密封的前提下，选择合适的螺栓预紧力非常重要.
2有限元模型
2.1仿真模型和材料参数
V形卡箍截面见图3，图中，W1为箍带厚度，W2为V形槽厚度.由于V形卡箍连接排气系统增压器和三元催化器进口端锥密封件，排气系统的热应力对卡箍受力有极大的影响，因此，本文所有的卡箍分析都在整个排气系统中进行.
图 3V形卡箍截面
V形卡箍在排气系统的位置见图4（a），排气系统内部排气压力最大为0.3 MPa，排气温度为700～800℃，增压器壳体和进口端锥材料均为409材料.只有卡箍提供足够的夹紧力，才能使增压器和进口端锥的2个平面有足够的接触压力，从而保证密封.排气系统及其卡箍有限元模型见图4（b），卡箍材料为SUS304.卡箍材料非线性曲线见图5.（a）V形卡箍在排气系统的位置（b）排气系统及其卡箍有限元模型图 4V形卡箍的位置和排气系统有限元模型
（a）弹性模量和泊松比随温度变化曲线
（b）热传导系数和热膨胀系数随温度变化曲线
（c）屈服强度和切变模量随温度变化曲线
图 5卡箍材料非线性曲线
2.2边界条件和载荷
整个系统的边界条件分为热边界、接触边界和约束边界等.其中，热边界根据CFD部门提供的数据计算得到.排气系统及其V形卡箍温度场见图6.卡箍的接触边界为螺栓与卡箍采用小滑移，V形槽与增压器及进口端锥凸缘采用有限滑移，增压器与进口端锥接触面采用小滑移.
约束边界为：排气歧管与缸盖连接处全约束缸盖另外一端；三元催化器支架连接缸体处全约束远离支架的缸体部分.其他边界条件包括模型中有螺栓连接的地方分别施加相应的螺栓预紧力.
图 6排气系统及其V形卡箍温度场
为模拟卡箍在发动机上的极限工况，需要进行热机耦合分析，施加的载荷步如下：第一步为施加螺栓预紧力，模拟装配工况；第二步为施加温度场，模拟发动机全速全负荷运转工况；第三步为冷却工况，模拟发动机停机工况；然后循环施加第二和三个分析步，直至卡箍提供的轴向力稳定.
3数值仿真结果分析对比
卡箍的结构可靠性用von Mises应力和塑性应变（PEEQ）进行评价，卡箍的密封性能用卡箍提供的轴向力和接触面的接触压力进行评估.
3.1更改箍带厚度仿真结果分析对比
V形卡箍最外面的环带为箍带，其他条件不变，箍带由1.0 mm增大到1.5 mm，见图7.
箍带加厚最大von Mises应力对比见表1，箍带加厚PEEQ对比见表2，可知，当箍带加厚，不论是装配工况，还是加热、冷却工况，箍带和V形槽的von Mises应力与PEEQ都会减小.
表 1箍带加厚最大von Mises应力对比MPa箍带箍带厚度为1.0 mm箍带厚度为1.5 mm装配工况1 433608最后加热工况1 358550最后冷却工况1 240600
表 2箍带加厚PEEQ对比箍带箍带厚度为1.0 mm箍带厚度为1.5 mm装配工况0.160 00.028最后加热工况0.165 00.028最后冷却工况0.165 30.028
卡箍提供的轴向力对比见图9，可知，箍带加厚，卡箍提供的轴向力减小；但在加热和冷却工况中，轴力振幅变小，对减少疲劳有很大好处.
图 9卡箍提供的轴向力对比
最小接触压力对比见表3，可知，箍带加厚虽然减小接触压力，但是接触压力变化的幅值减小，且最小值比加厚前更大，密封性能更好.增加V形卡箍箍带厚度，会极大地改善卡箍的结构可靠性，但随着箍带的加厚，卡箍在相同螺栓预紧力的情况下提供的夹紧力会变小.因此，卡箍可靠性与其提供的夹紧力是负相关的关系，在选择箍带厚度时，应该选择合适的箍带厚度以同时满足可靠性和密封性能要求.
3.2更改卡箍V形槽仿真结果分析对比
由于增压器和进口端锥空间位置的限制，如果增加V形槽材料的厚度，会使V形槽的翻边与增压器壳体发生干涉，因此，V形槽厚度最大值为2 mm.根据以上结论可以推导出：在其他条件不变的情况下，V形槽厚度增加，卡箍提供的轴向力会相应增加（见图10）；V形槽的应力和PEEQ会得到改善，见表4和5；同时，增压器和进口端锥接触面的接触压力会变得更加均匀.
图 10卡箍提供的轴向力对比
3.3更改卡箍螺栓预紧力仿真结果分析对比
V形卡箍大部分为标准件，当箍带和V形槽定型后修改模型比较困难，因此，选择一个合适的螺栓预紧力对于V形卡箍密封非常关键.在该项目中，由于空间布置限制，V形槽厚度不能加厚，只能维持在2 mm；箍带经过论证，厚度为1.5 mm可以满足可靠性要求.在满足可靠性的前提下，卡箍螺栓预紧力越大，其提供的密封夹紧力越大.
箍带厚度1.5 mm，V形槽厚度2.0 mm，只增加卡箍螺栓预紧力，由表6和7可知，随着螺栓预紧力的加大，卡箍的von Mises应力和PEEQ都会增加，结构可靠性降低.
预紧力变化卡箍提供轴向力对比见图11，可知，随着螺栓预紧力的增加，卡箍提供的轴向力呈线性增加.
图 11预紧力变化卡箍提供轴向力对比
螺栓预紧力变化最小接触压力对比见表8，可知，预紧力增加，增压器与进口端锥两相切球面的接触面压应力也相应增加.
表 8螺栓预紧力变化最小接触压力对比MPa预紧力预紧力为
5 kN预紧力为
7 kN预紧力为
9 kN预紧力为
11 kN装配工况4142537加热工况3162030冷却工况2132235
当螺栓预紧力为5和7 kN时，卡箍的结构可靠性满足要求；当螺栓预紧力为9和11 kN 时，卡箍的结构可靠性不满足要求.螺栓预紧力为5 kN时，接触压力小于5 MPa，不满足密封
要求，螺栓预紧力≥7 kN时，密封性能满足要求.为同时满足结构可靠性和密封性能，当卡箍箍带厚度为1.5 mm，V形槽厚度为2 mm时，螺栓预紧力选择7 kN最合理.
4试验结果与仿真结果对比
4.1试验测试位置和测试数据
应变片布点位置见图12，应变片测试方向见图中箭头所示.在卡箍螺栓施加11 kN的螺栓预紧力，换算为螺栓的轴力为7 kN，查看各个点的应变.
（a）布点示意
（b）局部布点示意
图 12应变片布点位置
现场图片和试验测试数据见图13.
（a）现场图片
（b）P6和P7对应位置微应变随螺栓预紧力加载、卸载的变化
图 13试验测试数据
4.2试验数据与仿真数据对比
数值仿真与试验应变对比见表9，可知，P3位置误差很大是由于应变片没有完全贴合在零件表面上引起的，其余位置测出来的应变结果与数值仿真结果数值相差较小.卡箍应力应变试验测试结果显示，箍带与螺栓连接处的箍带、靠近螺栓的V形槽应变最大，与CAE计算结果吻合，说明数值仿真结果可信.
表 9数值仿真与试验应变对比测试位置试验数据（应变）CAE分析数据（应变）误差/%P12 550.22 662.94.5P2140.5147.55.0P32 534.812 553.4395.0P41 2045.215 106.611.0P52 489.72 795.912.0P6144.4180.925.0P7605.8672.511.05结论
基于有限元数值仿真和试验验证方法，在不同箍带厚度、不同V形槽厚度和不同螺栓预紧力情况下，对V形卡箍的结构可靠性和密封性能进行仿真，分析不同箍带厚度和不同螺栓预紧力对V形卡箍密封性能的影响，得到以下结论.
（1）增加箍带厚度，会有效改善卡箍的结构可靠性；但在相同螺栓预紧力情况下，卡箍提供的夹紧力会变小.
（2）增加V形槽厚度，会极大地改善卡箍的结构可靠性，卡箍提供的轴向力也会相应增加，同时，被连接件的接触压力会变得更加均匀.
（3）增大卡箍螺栓预紧力，会相应增加卡箍提供的夹紧力，但会使卡箍的结构可靠性降低.因此，在V形卡箍选型后，选择合适的螺栓预紧力，对卡箍密封性能至关重要.参考文献：
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