柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构及其力学性能研究
陈庆 于洋 甘树坤 马庆捷 吉林化工学院，132022
摘要：从柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构入手，在一定的压紧应力（45.0MPa）下，对厚度为3mm和2mm、具有三种不同的圆弧半径、波齿距和齿数的金属骨架采用有限元法进行应力分析，得到了应力分布状态及弹性变形与其结构的关系，从中优化柔性石墨金属波齿复合垫片的性能结构。
关键词：波齿垫片 金属骨架 性能结构 有限元应力分析
Study of Flexible Graphite Corrugated Metal Gaskets on Metal Skeleton and Mechanics Performance
Chen Qing Yu Yang Gan Shu-kun Ma Qing-jie (Ji Lin Institute of chemical Technology;132022 )
Abstract: From Metal Skeleton of flexible graphite corrugated metal gaskets, under given pressure(45MPa) conditions, metal sketelon stress of three various circular arc radius,wave gear distance and gear quantity were analysed by finite unite method, to be obtained stress distributed state and the relation of elastic shape to its structure , and optimal performance structure of flexible graphite corrugated metal gaskets.
Keyword :corrugated metal gaskets, metal skeleton, performance structure, finite unite sress
analysis
柔性石墨波齿复合垫片是近几年出现的一种法兰连接系统中使用的静密封元件。它是在齿形垫片基础上发展起来、由一定几何形状的金属骨架与柔性石墨复合层组成的密封垫片。因波齿复合垫片的金属骨架结构的特殊设计使它具有密封性能好，压缩-回弹性能好、密封寿命长、可靠性高、加工制造及安装方便、使用工况范围广泛等优点，现已在一些炼油、化工装置中大量应用。但作为一种新兴的产品，还有大量的内容需要研究。我国在此项目的研究多数只局限于某一性能方面的试验研究。关于理论研究和几何结构尺寸及覆盖层的特性对其性能的影响方面的研究几乎空白。
我国于2003年12月出版发行了中华人民共和国国家试验标准，标准中只给出了总体尺寸和总体结构形式以及外观质量和性能指标，而对能否达到这一性能指标未有技术上的数据和说明。因此许多厂家由于缺乏理论指导和必要的试验手段，盲目生产出的产品性能达不到要求，得不到认证，大大影响了企业的经济效益，也给安全生产带来隐患。
2005年12月由国家劳动总局通报了关于密封件企业所生产的“柔性石墨金属复合垫片”的抽样检测结果，全国百余家企业中，仅有三家企业生产的柔性石墨金属复合垫片性能检测基本合格，其余一些厂家的产品均不达标，因此，此项研究意义重大。
由于柔性石墨金属波齿复合垫片的优良的综合性能和制造加工、运输、安装的便利，使其应用范围越来越广，越来越受到用户的青睐。如果通过理论分析和试验研究能够找到提高垫片性能的科学的数据，柔性石墨金属复合垫片将会有更加广阔的应用前景。
1.结构设计
柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构和整体结构形式分别如图1（a）、（b）所示。本结构采用上下非对称同心圆弧形式，波齿结构的设计使得同心圆周截面积较为均匀，改变了原齿形垫片金属骨架（如图2所示）同圆心圆周截面积差别较大的现象，从而受力更为合理，材料整体受力状态较好，能够充分发挥材料的整体作用。定位环厚度为T1，圆弧半径R，
齿间距P，齿深h ，齿厚度t 。
（a） 金属骨架结构
（b）波齿垫片整体结构
图1 波齿垫片结构
图2齿形垫片金属垫
2 有限元应力分析
金属骨架密封面结构尺寸如图1（b）所示，内径D1=Φ84.5mm，外经D2=Φ120.5mm的波齿圆环（符合GB/T19066.2—2003）中规定的试样规格Φ120.5×84.5），圆周方向上受到的应力可忽略不计，因此将三维的几何模型简化为二维模型。几何模型的构造均按照实际尺寸，网格划分采用四边形非结构网格，网格最大为0.1mm×0.1mm。在压紧应力为45±1.0MPa条件下，常温状态，对表1和表2的几何尺寸进行径向（X方向）和轴向（Y方向）应力计算，表1和表2所示的结构尺寸分别为2mm厚和3mm厚不锈钢板，平台宽度一定（0.1mm），其余尺寸如表所示。简化力学模型如图3所示。
图3 简化力学模型
表1 2 mm厚金属波齿骨架结构参数（mm） 圆弧半径 对应尺寸 波齿距L 波齿深度H 齿数N R1=2 3.56 1 5 R2=2.5 4.10 1 4.5 R3=3.0 4.55 1 4
表2 3 mm厚金属波齿骨架结构参数（mm） 圆弧半径 对应尺寸 波齿距L 波齿深度H 齿数N R1=2 3.9 1.5 4.5 R2=2.5 4.7 1.5 4.0 R3=3.0 5.3 1.5 3.5 2.1 应力计算
根据GB/T19066.3-2003标准规定，密封面上不能少于3个齿尖，上述设计符合标准要求。采用有限元程序，进行应力计算，结果如下：网格划分如图4所示。
图4 网格的划分
2.1.1厚度为H=2mm的结构
R1=2mm时的应力计算及最大应力结果如图5所示。 最大应力值（VALUE）径向应力=0.16059E+08 Pa
轴向应力=0.32866E+08 Pa
图5 应力曲线图
R2=2.5mm时的应力计算及最大应力结果如图6所示。 最大应力值（VALUE）径向应力= 0.28374E+08 Pa
轴向应力= 0.50333E+08 Pa
图6 应力曲线图
R3=3mm 时的应力计算及最大应力结果如图7所示。
最大应力值（VALUE）径向应力=0.30478E+08 Pa
轴向应力=0.50566E+08 Pa
图7应力曲线图
2.1.2厚度为H=3mm的结构
R1=2mm时的应力计算及最大应力结果如图8所示。 最大应力值（VALUE）径向应力= 0.13429E+08 Pa
轴向应力= 0.46726E+08 Pa
图8应力曲线图
R2=2.5mm时的应力计算及最大应力结果如图9所示。 最大应力值（VALUE）径向应力= 0.19533E+08 Pa
轴向应力= 0.46425E+08 Pa
图9应力曲线图
R3=3mm时的应力计算及最大应力结果如图10所示。 最大应力值（VALUE）径向应力=0.20224E+08 Pa
轴向应力=0.46894E+08 Pa
图10应力曲线图
3 结果分析
3.1 随圆弧R值增大，相应点的最大应力值增大。这说明大圆弧条件承载能力削弱，柔性增大。
3.2 由图可以看出，随圆弧R值增大，压缩率增大，且均在25%～45%之间，符合国家标准要求。
3.3当板厚H=3mm时，由于材料承载能力的加强，在45 MPa轴向外载作用下，轴向应力变化不大。
3.4 R1=2mm情况下的径向最大应力与其他两种相差较大。这说明小圆弧多齿数的波齿垫片具有更好的承载能力。大圆弧少齿数具有良好压缩性能。此结论需进一步通过试验加以验证。 3.5最大应力作用在齿尖部，符合图3所建立的力学模型的应力状态。
通过二维有限元应力分析计算，发现不同结构参数条件下的波齿骨架的一些力学性能有较大差异，这对于研究波齿垫片的性能有充分的理论依据。在此基础上，可根据密封需要或
法兰连接系统紧密性要求以及螺栓预紧力大小确定具体结构，以实现密封度要求。下一步将通过试验对有限元分析结果进行全面验证。
参考文献
[1] GB/T 19066.1—2003.柔性石墨金属波齿复合垫片 分类.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2003，12
[2] GB/T 19066.2—2003. .柔性石墨金属波齿复合垫片 管法兰用垫片尺寸. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2003，12
[3] GB/T 19066.3—2003. .柔性石墨金属波齿复合垫片 技术条件. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2003，12
柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构及其力学分析
