(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210871624.5 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 西安航天动力研究所 地址 710100 陕西省西安市雁塔区航天基 地飞天路289号 (72)发明人 姜薇　张晓军　霍世慧　许红卫　 韩帅　闫方琦　杨全洁　王振　 (74)专利代理 机构 中国航天科技专利中心 11009 专利代理师 张晓飞 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/14(2020.01) (54)发明名称 金属U-E密封 法兰连接性能的分级数值模拟 方法 (57)摘要 本发明金属U‑E密封法兰 连接性能的分级数 值模拟方法， 基于金属U ‑E密封法兰的结构和载 荷特征， 提供了在有限元软件AB AQUS中建立四级 模型的简化策略， 材料、 边界、 载荷、 接触关系的 设置方法， 网格划分原则以及计算结果输出要 求， 建立了采用四级模型分别获取密封环自身压 缩‑回弹性能、 密封环自身接触性能以及密封法 兰连接结构在预紧及工作条件下应力、 应变及变 形响应的具体方法， 形成完整的金属U ‑E密封法 兰连接性能的分级数值模拟方法。 权利要求书3页 说明书7页 附图8页 CN 115374554 A 2022.11.22 CN 115374554 A 1.金属U‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特 征在于包括： 建立I级模型， 开展密封环的压缩 ‑回弹性能计算； 所述I级模型中不建镀层， 密封环被 刚性面压缩； 将密封环压缩至给定的压缩量后卸载， 计算密封环加载卸载历程的轴向载荷 ‑ 位移曲线； 修改压缩量， 重复计算N次， 得到N个不同压缩量加载卸载过程的密封环轴向载 荷‑位移曲线； 绘制回弹量 ‑压缩量曲线； 建立II级模型， 开展密封环的接触性能计算； 所述II级模型中建立镀层， 考虑镀层力学 性能和厚度对接触特性的影响， 密封环被刚性面压缩； 将密封环压缩至给定的压缩量后卸 载， 计算压缩到位时沿密封唇上路径的接触压力分布以及压缩量卸除过程中不同张开量下 密封唇上路径的接触压力分布； 修改压缩量， 重复计算M次， 将得到的M组计算结果绘制密封 唇平均接触压力—压缩位移曲线、 密封唇接触宽度—压缩位移曲线； 针对每一个压缩量， 绘 制密封唇平均接触压力—张开 位移曲线、 密封唇接触宽度—张开 位移曲线； 建立III级模型， 开展密封环 ‑法兰二维轴对称应力、 应变及变形响应分析； 所述III级 模型中不建镀层和螺栓， 忽略法兰减重孔、 螺栓孔， 采用一对 大小相等的作用力模拟螺栓对 上、 下法兰的压紧作用； 计算预紧状态下密封环的压缩量、 接触力、 应力和应变分布， 工作状 态下密封环的接触力、 应力和应 变分布， 以及工作状态下法兰张开 量、 应力和应 变分布； 建立IV级模型， 开展密封环 ‑法兰‑紧固件三维应力、 应变及变形响应分析； 所述IV级模 型中不建镀层， 建立螺栓； 计算预紧状态下密封环的压缩量、 接触力、 应力和应变分布， 工作 状态下密封环的接触力、 应力和应变分布， 工作状态下法兰张开量、 应力和应变分布以及工 作状态下紧 固件轴向载荷、 应力和应 变分布。 2.根据权利要求1所述的金属U ‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特征在 于： 所述建立 I级模型， 开展密封环的压缩 ‑回弹性能计算， 包括： 步骤101， 提取密封环环向截面， U ‑E密封环沿轴向仍然具备对称面， 仅保留密封环下半 模型， 相切于下主、 副密封唇绘制一条直线作为压缩密封环的刚性 面； 步骤102， 建立密封环材料属性， 输入密封环基体材料的弹性模量、 泊松比以及真实应 力‑应变曲线； 步骤103， 设置接触关系， 在密封环与刚性面之间设置接触对， 将刚性面设置为主接触 面， 密封唇、 密封环限位面设置为从接触面， 滑移方程选 “有限滑移”， 离散方式选 “节点对 面”； 步骤104， 采用四边形轴对称线性减 缩积分单 元对密封环几何模型进行网格划分； 步骤105， 约束密封环轴向对称面的轴向位移； 建立两个静态分析步： 第一步用于在刚 性面的参考点上施加轴向压缩位移， 第二 步用于卸除全部的轴向压缩位移； 步骤106， 生成作业， 运行模型计算； 计算完成后， 分别针对主、 副密封唇， 输出各自加载 卸载历程的轴向载荷—位移曲线， 计算当前压缩量下， 压缩位移完全卸除后主、 副密封唇各 自的回弹量； 回弹量 ＝压缩量 ‑卸载后的剩余压缩量； 步骤107， 修改压缩量， 重复步骤106工作N次； 基于计算结果， 分别绘制主、 副密封唇的 回弹量‑压缩量曲线。 3.根据权利要求2所述的金属U ‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特征在 于： 压缩‑回弹性能计算中使用了N个不同的压缩量对I级模 型中的刚性面进 行加载卸载， 其 中压缩量最大值＝密封环最大轴向高度 ‑限位面轴向高度， 0.25 ×压缩量最大值≤压缩量权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115374554 A 2最小值≤ 0.5×压缩量最大值， 最大值与最小值之间可均匀设置的中间值。 4.根据权利要求2所述的金属U ‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特征在 于： 所述步骤104进行网格划分时满足的要求包括： 密封唇附近具有足够多的节点数， 使能够描述密封唇圆弧形轮廓； 密封腿根部沿厚度方向有足够多的单元层数， 使能够描述密封腿根部的应力、 应变梯 度； 刚性面设置为 解析刚体， 不进行网格划分。 5.根据权利要求2所述的金属U ‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特征在 于： 所述建立 II级模型， 开展密封环的接触性能计算， 包括： 步骤201， 按照步骤101建立二维轴对称几何模型； 沿着密封唇轮廓线， 在 可能与刚性面 发生接触的区域切出宽度等于 镀层厚度的带状区域； 步骤202， 建立密封环材料属性， 输入密封环基体和镀层材料各自的弹性模量、 泊松比 以及真实应力 ‑应变曲线； 步骤203， 设置接触关系， 密封环与刚性面之间设置接触对， 将刚性面设置为主接触面， 密封唇、 密封环限位 面设置为从接触面， 滑 移方程选“有限滑移”， 离散方式选“节点对面 ”； 步骤204， 采用四边形轴对称线性减 缩积分单 元对密封环几何模型进行网格划分； 步骤205， 约束密封环轴向对称面的轴向位移； 建立两个静态分析步： 第一步用于在刚 性面的参考点上施加给定的轴向压缩量， 第二 步用于卸除全部的轴向压缩位移； 步骤206， 生成作业， 运行模型计算； 计算完成后， 输出第一个分析步结束时沿密封唇外 轮廓线上路径的接触压力， 以及第二个分析步中轴向压缩量每卸除一定量时沿密封环主、 副密封唇 上路径的接触压力； 步骤207， 修改压缩量， 重 复步骤206工作M次， 分别绘制不同压缩量下沿主、 副密封唇外 轮廓线上路径的接触压力—位置曲线。 6.根据权利要求5所述的金属U ‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特征在 于： 所述步骤207分别绘制不同压缩量下沿主、 副密封唇外轮廓线 上路径的接触压力—位置 曲线， 包括： 针对每一个压缩量， 绘制 压缩量卸除过程中不同张开位移下沿主、 副密封唇外 轮廓线上路径的接触压力—距离曲线； 基于得到的M组计算结果， 绘制主密封唇平均接触压 力—压缩位移曲线、 主密封唇接触宽度—压缩位移曲线、 副密封唇平均接触压力—压缩位 移曲线、 副密封唇接触宽度—压缩位移曲线； 针对每一个压缩量， 绘制主密封唇平均接触压 力—张开位移曲线、 主密封唇接触宽度—张开位移曲线、 副密封唇平均接触压力—张开位 移曲线、 副密封唇接触宽度—张开 位移曲线。 7.根据权利要求5所述的金属U ‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特征在 于： 所述步骤204进行网格划分时的要求包括： 镀层区域内单元尺寸为0.001～0.01mm， 沿镀层厚度方向不小于5层单元， 镀层单元沿 厚度方向尺寸 为沿轮廓线方向2倍； 密封环其 余部位单 元尺寸为0.05～0.1mm； 镀层单元与基体单元之间以共节点处 理； 刚性面采用解析刚体， 不进行网格划分。 8.根据权利要求1所述的金属U ‑E密封法兰连接性能的分级数值模拟方法， 其特征在 于： 所述建立 III级模型， 开展密封环 ‑法兰二维轴对称应力、 应 变及变形响应分析， 包括：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115374554 A 3