Thread Content
Cet article provient du contenu original du compte public WeChat de « ANSYS Analysis Designer ». Nous respectons l'originalité. Pour plus de contenu, vous pouvez suivre le compte public. 1. Introduction au contexte ? La fiabilité de l’étanchéité est une garantie importante pour le fonctionnement sûr des appareils sous pression. La conception raisonnable et fiable de la structure d’étanchéité est une partie importante de la conception des récipients sous pression. Comparés aux récipients à moyenne et basse pression, les récipients à haute pression sont plus difficiles à sceller. Afin de résoudre ce problème, les gens ont développé une variété de structures d'étanchéité à haute pression, divisées en types forcés et auto-serrants, notamment: Joints plats, joints octogonaux, joints doubles cônes, joints Cazari, joints bois, etc. Parmi eux, les joints plats, les joints Cazari et les joints octogonaux sont des structures d'étanchéité forcées, tandis que les joints biconiques et les joints bois sont des structures d'étanchéité auto-serrantes. Bien que la structure d'étanchéité à joint octogonal couramment utilisée présente certaines caractéristiques d'étanchéité auto-serrantes, en raison de la faible hauteur du joint annulaire et du manque de capacités de compression radiale et de rebond du joint, l'effet d'auto-serrage est très limité. Actuellement, il est conçu selon la structure d’étanchéité forcée. 2. Joint octogonal forcé + principe d'étanchéité à double cône = structure d'étanchéité à joint octogonal auto-serrant ? La structure d'étanchéité du joint octogonal auto-serrant est similaire à celle du joint octogonal et le principe d'étanchéité est similaire à celui de la structure d'étanchéité à double cône. La structure d'étanchéité est illustrée à la figure 1 et à la figure 2.: https://pic4.zhimg.com/80/v2-99d986ca8ae551049dff72c11646c09e_hd.jpg Figure 1 Joint octogonal auto-serrant et structure de rainure d'étanchéité https://pic3.zhimg.com/80/v2-ea1058aa851268eca0297171e6acabcd_hd.jpg Figure 2 Schéma de principe de l'assemblage du joint octogonal auto-serrant et de la bride Caractéristiques structurelles du joint octogonal auto-serrant: 【1】Les angles du demi-cône intérieur et extérieur du joint octogonal auto-serrant et de la rainure d'étanchéité sont tous deux de 23°. ； [2] Le joint octogonal auto-serrant et la surface conique extérieure de la rainure d'étanchéité sont les surfaces d'étanchéité de la structure d'étanchéité. C'est la même chose que la structure d'étanchéité à double cône. Un joint en métal mou est ajouté entre la surface d'étanchéité du joint octogonal et la rainure d'étanchéité ou du graphite composite est ajouté à la surface conique externe du joint octogonal. ； [3] La surface conique interne de la rainure d'étanchéité sert de surface conique de support du tampon octogonal et est utilisée pour contrôler la déformation radiale maximale autorisée du tampon octogonal. ； 【4】Il existe un espace radial entre la ligne centrale de la section transversale du coussinet octogonal et la ligne centrale de la section transversale de la rainure d'étanchéité. Lorsque la structure d'étanchéité est pré-serrée, le joint octogonal est comprimé radialement élastiquement jusqu'à ce que le joint octogonal et la surface conique interne de la rainure d'étanchéité soient proches l'une de l'autre. Voir la figure 3 ci-dessous pour plus de détails. Cet espace radial est équivalent à l'espace entre l'anneau à double cône et la face d'extrémité de support dans la structure d'étanchéité à double cône. 【5】 Par rapport au joint octogonal à étanchéité forcée couramment utilisé, le joint octogonal auto-serrant a une hauteur et une dimension plus grandes afin de répondre à l'exigence de fournir une force d'auto-serrage suffisante et d'assurer des performances d'étanchéité. https://pic3.zhimg.com/80/v2-4433443d1c4b60cac173f9aa55faaf33_hd.jpg Figure 3 La déformation élastique par compression du joint octogonal auto-serrant avant et après le pré-serrage du boulon est illustrée à la figure 3. Dans l'état d'assemblage avant le pré-serrage du boulon, il existe un espace entre le cercle central du joint octogonal et le cercle central de la rainure d'étanchéité, qui est l'espace radial g illustré à la figure 3. Une fois le boulon pré-serré, les deux cercles centraux coïncident et la surface conique intérieure du joint est proche de la surface conique intérieure de la rainure d'étanchéité. 3. Comparaison des différences entre les trois structures d'étanchéité haute pression ? La structure d'étanchéité à joint octogonal auto-serrant combine les doubles avantages et caractéristiques du joint à double cône et de la structure d'étanchéité à joint octogonal traditionnelle. Il s'agit d'une structure d'étanchéité auto-serrante. Les différences entre ses principaux paramètres structurels et caractéristiques d'étanchéité par rapport au joint octogonal traditionnel et à la structure d'étanchéité à double cône sont présentées dans le tableau 1. https://pic4.zhimg.com/80/v2-bf4b4ef1e919542b1a40b4b0ed8dfd3f_hd.jpg Tableau 1 Déformation élastique en compression de la rondelle octogonale auto-serrante avant et après pré-serrage du boulon 4. Analyse et vérification du modèle éléments finis de la rondelle octogonale auto-serrante ? [Conditions de conception]: Les paramètres structurels de simulation par éléments finis du joint d'étanchéité octogonal auto-serrant sont présentés dans le tableau 2. https://pic3.zhimg.com/80/v2-b6b210fbc123dc94718b9c2c8e765b42_hd.jpg Tableau 2 Principales dimensions géométriques de la structure d'étanchéité [Paramètres de matériau et de performance]: Selon GB/T150-2011 « Pressure Vessel », la pression spécifique du joint métallique est de 124,1 MPa, le coefficient du joint m=5,5 et la charge de pré-serrage d'un seul boulon est calculée comme étant de 131 542 N. Les matériaux et les paramètres de performance de chaque composant de la structure d'étanchéité sont présentés dans le tableau 3. https://pic1.zhimg.com/80/v2-77b27a763056b3040552d3d1efdca6f7_hd.jpg Tableau 3 Matériaux et paramètres de performance de chaque composant de la structure d'étanchéité [Établissement du modèle et sélection de l'unité]: Afin de réduire la quantité de calcul, en tenant compte de la symétrie périodique de la structure géométrique, des charges et des conditions aux limites, 1/20 de la structure a été utilisé pour établir le modèle d'éléments finis. Ce modèle utilise des éléments solides Solid185 et des éléments précontraints PRETS179 pour le maillage. Tous les corps sont maillés à l’aide d’hexaèdres. Le maillage du joint et la zone locale en contact avec celui-ci sont affinés pour assurer la convergence de la structure et l'exactitude des résultats de la solution. Tous les composants du modèle sont supposés être des matériaux élastiques linéaires. Le modèle tridimensionnel et la division du maillage de la structure sont présentés aux figures 4 et 5. https://pic2.zhimg.com/80/v2-a1c8e0208c282414c9ae24f75a974962_hd.jpg Figure 4 Modèle d'éléments finis tridimensionnels 1/20 https://pic2.zhimg.com/80/v2-9a42bb399baeb22e1542a91acfffc948_hd.jpg Figure 5 Division du maillage affiné [Apposition des charges et conditions aux limites]: [Pression interne et charge équivalente] Une pression uniforme de 15 MPa est appliquée à la surface intérieure de la structure et une pression équivalente de -65,44 MPa est appliquée à la surface d'extrémité supérieure du cylindre. ； [Charge de pré-serrage] Appliquez une charge de pré-serrage sur le nœud de l'unité de pré-serrage et la force de pré-serrage du boulon augmente de zéro à la force de pré-serrage spécifiée. ； [Limitation du déplacement du corps rigide] Afin d'empêcher le modèle de se déplacer axialement, le déplacement dans la direction Z de la face d'extrémité inférieure du cylindre est limité. ； [Contraintes de symétrie] Appliquer des contraintes de symétrie sur le plan de symétrie du modèle 1/20 ； [Paramètres des paires de contacts] Dans l'analyse, l'unité de surface de contact Contact174 et l'unité cible Target170 sont utilisées pour définir les paires de contacts. Au total, 6 paires de contacts entre plans sont établies dans le modèle, qui sont le contact entre l'écrou et la bride supérieure, le contact entre l'écrou et la bride inférieure et les 4 paires de contacts entre les quatre surfaces coniques du joint et la rainure d'étanchéité. ； [Application par étape de charge] Étant donné que le processus de simulation implique une analyse non linéaire de contact, afin de garantir la convergence et l'exactitude des résultats de calcul, la charge est appliquée à l'aide d'une méthode de chargement de charge en plusieurs étapes. L'algorithme de contrainte de contact dans l'analyse utilise l'algorithme lagrangien augmenté. L'application détaillée des charges et des conditions aux limites est illustrée à la figure 6. https://pic4.zhimg.com/80/v2-3da35a6982c93cceeae1003a3e63c130_hd.jpg Figure 6 Charges et conditions aux limites 5. Analyse des résultats de simulation par éléments finis ? Les diagrammes de nuages de contraintes équivalentes de la structure globale et du joint sont présentés respectivement sur la figure 7 et la figure 8.: https://pic3.zhimg.com/80/v2-7654aeee90b33482fbe371572708ea57_hd.jpg Figure 7 Diagramme nuageux de répartition des contraintes de la structure globale https://pic4.zhimg.com/80/v2-811f379510256ccbe49f708f98adb6e5_hd.jpg Figure 8. Diagramme nuageux de répartition des contraintes équivalentes du joint. Il ressort de la figure 7 que la contrainte équivalente maximale de la structure est de 287,834 MPa, qui se produit sur la surface de contact entre le joint et la bride et n'a pas atteint la limite d'élasticité du matériau. ； En raison de l’effet de la pression interne, la contrainte du boulon est inégalement répartie. ； Comme le montre la figure 8, la contrainte équivalente maximale du joint est de 83,64 MPa, ce qui n'atteint pas la limite d'élasticité du matériau du joint, et la contrainte maximale se produit du côté de la surface d'étanchéité du joint. https://pic3.zhimg.com/80/v2-0d98b1853e53b3b6d92206fd68ff1a08_hd.jpg Figure 9 Force axiale du boulon et courbe de pression interne https://pic2.zhimg.com/80/v2-3f8cc3290bd53ce4d7dc13c78a892487_hd.jpg Figure 10 Courbe de contrainte du joint et de pression interne La figure 9 représente la courbe de force axiale du boulon et de pression interne appliquée, et est comparée aux résultats des calculs théoriques. On peut constater que les résultats de la simulation par éléments finis sont en relativement bon accord avec les résultats des calculs théoriques. ； La figure 10 est un graphique de la contrainte de compression et de la pression interne du côté d'étanchéité du joint. Dans la phase initiale de pressurisation, la contrainte exercée sur la surface d'étanchéité du joint diminue avec l'augmentation de la pression interne. Lorsque la pression interne atteint une certaine valeur, la contrainte sur le côté surface d'étanchéité du joint augmente linéairement avec l'augmentation de la pression interne. La contrainte sur le côté surface d'étanchéité du joint modèle est toujours supérieure à la pression spécifique d'étanchéité de fonctionnement, ce qui indique que les performances d'étanchéité du joint sont fiables pendant le processus de pressurisation.