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CN116757012B - 一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法 - Google Patents

一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法 Download PDF

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CN116757012B CN202310601208.8A CN202310601208A CN116757012B CN 116757012 B CN116757012 B CN 116757012B CN 202310601208 A CN202310601208 A CN 202310601208A CN 116757012 B CN116757012 B CN 116757012B
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Abstract

本发明公开了一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，包括：有限元模型前处理、迭代求解、振动工况模拟仿真分析及后处理参量提取，采用CATIA软件建立3D管道模型，采用Hypermesh软件进行管道有限元模型前处理和约束载荷，采用ANSYS Workbench软件模拟施加振动工况、密封性能计算以及密封接触参量结果提取。本发明通过仿真分析振动工况下管路密封性能的变化过程，探究振动载荷作用点与振动载荷幅值对管路密封性能的影响规律。输出密封面宽、有效密封面积及有效密封接触应力均值这三个指标作为密封接触参量，通过密封接触参量判断密封性能指标，有效判断管道是否产生泄漏。

Description

一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法
技术领域
本发明属于管道密封性能分析的技术领域，具体涉及一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法。
背景技术
管路系统之于飞机犹如人体的“血管”，将燃油、液压油、滑油以及空气等飞行所需流体介质输送给飞机各元部件，在飞机各种错综复杂且庞大的系统体系中起着无可替代的连接作用。飞机管路连接件由于自身结构紧凑而复杂，容易成为液压管路系统的薄弱环节。在振动工况较为严峻的液压附件舱和发动机舱，液压导管的渗漏与破裂问题尤为突出。由此可见，振动工况是造成液压管路系统故障频发的一个不可忽视的因素。
随着现代飞机性能的提高以及操纵、减重等性能指标的要求，飞机液压系统逐渐向高压力发展，管路结构强度储备很低，同时，飞机管道所处的安装环境和工作环境与其他产品相比工况更为恶劣，因此存在故障率高、失效模式多、可靠性差等严重问题。统计数据显示，所有使用故障中，设计制造类故障占总故障数的11.19％，是飞机的第二大故障主体；各导管类故障共计1650起，在制造类故障中，导管问题是故障的主题，占制造类问题的71％。
管道故障分为渗漏、磨碰、破裂、变形和其他五种类型，其中，导管渗漏问题占导管故障的73.94％，涉及面广，而且液压管道渗漏最多。由于管路连接结构所处工作环境复杂，管内运输介质压力逐步增大，更加提高了对密封可靠性的要求。显然，飞机液压管路系统故障与包括装配应力、环境振动、以及管道及其连接件材料等一系列因素均有密切关系，是多种故障原因的共同作用结果。并且在飞机服役过程中，由于液压管路系统的工作环境较为恶劣，振动工况无法避免。
由此可见，分析在振动环境下的飞机管路连接件的密封性能，制定合理的装配标准，对于有效地控制管路系统故障、提高管路系统的可靠性和安全性、保障整个飞机的运行安全性，具有极其重要的理论意义和工程实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，旨在解决上述的问题。
本发明主要通过以下技术方案实现：
一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，包括以下步骤：
步骤S100：管道3D模型建立：采用CATIA软件建立3D管道模型，建立管路连接件的三维实体模型；
步骤S200：管道有限元模型前处理：采用Hypermesh软件进行管道有限元模型前处理和约束载荷；所述管道有限元模型前处理包括管道有限元网格划分，材料属性定义，接触对设置及单元类型定义；
步骤S300：模拟施加振动工况；
步骤S400：使用ANSYS APDL编程对密封接触参量结果进行提取：密封面宽、有效密封面积及有效密封接触应力均值这三个指标为密封接触参量，用于判断管道密封性能是否产生泄漏；通过ANSYS APDL编程进行后处理的结果输出，提取出接触表面单元，根据表面接触应力以及通过APDL编程来判断每个网格单元是否超过屈服强度，对单元数量累加，最终得到密封接触参量随振动周期的变化而产生的变化，从而可以判断管路密封状。
为了更好地实现本发明，进一步地，针对扩口式管路连接件，包括以下步骤：
步骤A1：根据结构尺寸，通过CATIA软件建立扩口式管路连接件的三维实体模型，扩口式管路连接件包括扩口导管、平管嘴、直通管接头和外套螺母，扩口导管的扩口外锥面外侧套设有平管嘴，且扩口内锥面处设置有直通管接头，扩口导管的外侧套设安装有外套螺母，所述外套螺母的一端与直通管接头螺纹连接，且另一端与平管嘴限位抵接；
步骤A2：确定扩口导管、平管嘴、直通管接头和外套螺母所用的材料，并导入有限元软件Workbench进行材料属性设置，选取参与密封的直通管接头较长端进行扩口式管路连接件有限元建模，得到符合真实螺旋副结构特征的管路连接件完整三维模型；
步骤A3：振动工况的加载：
步骤A31：先对管接头自由端施加固定约束，在扩口导管与直通管接头内表面施加均布压力载荷模拟管路工作时流体介质的压迫作用，同时对外套螺母施加轴向预紧力模拟拧紧力矩的预紧作用，模拟管路连接件的预紧状态，轴向预紧力加载至目标预紧力值后通过Lock功能锁住，方便后续振动载荷施加；
步骤A32：在扩口导管自由端施加径向振动载荷，模拟振动工况；
步骤A4：在加载求解结束后，便可以进行计算结果的后处理分析；在有限元分析中，提取出扩口导管与直通管接头的接触表面单元；在Workbench后处理中通过定义柱坐标系及User Defined Result可以提取外套螺母的角位移，用于判断密封过程的变化。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤A2中，扩口式管路连接件中共有五对接触对，分别是：扩口导管的直管部分与平管嘴的圆柱形接触对①；平管嘴与外套螺母的圆环形接触对②；扩口导管的扩口外锥面与平管嘴头部内锥面形成的接触对③；扩口导管的扩口内锥面与管接头对应锥面形成的接触对④；外套螺母与管接头之间的螺旋副接触对⑤，且由多组内外螺牙接触形成。
为了更好地实现本发明，进一步地，步骤A31中，根据管路连接件拧紧过程的力学分析，导管扩口前需预安装平管嘴，平管嘴跟扩口导管的直管部分的接触对是光滑的，忽略接触对①，接触对②-接触对⑤的扭拉关系计算公式如下：
式中：T2、T3、T4、T5分别为接触对②、③、④及⑤的摩擦力矩；
Fa为轴向预紧力；
u2为平管嘴与外套螺母的圆环形接触对的摩擦系数；
d2为平管嘴与外套螺母的圆环形接触对的等效直径：
其中：R2和r2分别为平管嘴和外套螺母接触环的内、外圈半径；
u3为平管嘴与外套螺母的圆环形接触对的摩擦系数；
d3为扩口导管扩口部外锥面与平管嘴头部内锥面形成的接触对的等效直径；
a3为扩口导管扩口部外锥角的一半；
u4为扩口导管扩口部内锥面与管接头对应锥面形成的接触对的摩擦系数；
d4为扩口导管扩口部内锥面与管接头对应锥面形成的接触对的等效直径；
a4为扩口导管扩口部内锥角的一半；
d5是外套螺母与管接头之间的螺旋副的螺纹中径；
Ψ是螺旋副的螺纹升角，ψ＝arctan(P/(πd5))，P是螺旋副的螺距；
λ是螺旋副的当量摩擦角，λ＝arctan(u5/cosβ)，u5为螺旋副的摩擦系数；β是螺旋副的螺纹半角；
又因为
因此，
在实际装配时，扩口导管与管接头并不会发生旋转，而是通过旋转外套螺母带动整个管路连接件结构进行压紧，在接触对④上产生接触压应力来实现密封，因此接触对④没有发生相对滑动，T4＝0；
在旋转外套螺母时，平管嘴跟外套螺母之间会发生相对滑动，而扩口导管和平管嘴之间为静摩擦，两者之间相对静止，可以等效为一体，所以T3＝0；
此时，扩口式管路连接件的扭拉关系公式为：
进一步，可以得到预紧轴向力Fa和预紧力矩T的转换公式：
根据预紧轴向力和预紧力矩的转换公式对外套螺母施加轴向预紧力模拟拧紧力矩的预紧作用。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述扩口管道的材料为1Cr18Ni9Ti，所述步骤A4中，需要从整个有限元模型中选中密封接触面的单元，从这些单元中编号最小的单元开始遍历至编号最大的单元，如果单元的接触应力大于管材1Cr18Ni9Ti的屈服强度205MPa，则认为这个单元发生了塑性应变，参与形成了有效密封接触面，累加符合条件单元的数量、单元面积、接触应力值。
为了更好地实现本发明，进一步地，在密封接触参量提取之前，按计算好的尺寸大小对接触面网格进行规整划分，确保每个网格的大小形状都相同。
为了更好地实现本发明，进一步地，在二维模型中，因为接触为线接触，所以提取的单元面积即为单元长度，将单元长度累加即可得到密封面宽；有效密封面积则需要提取单元径向坐标最小值及最大值并结合锥面面积公式积分求得；有效密封比压为累积接触应力值与单元数量之比。
为了更好地实现本发明，进一步地，在三维模型中，密封面宽为单元数量与密封面环向单元数之比，由于会出现密封面宽大小分布不均的情况，所以取密封面宽最小值；每个参与密封的单元的面积累加起来就是有效密封面积；有效密封比压为累积接触应力值与单元数量之比。
为了更好地实现本发明，进一步地，嘴式管接头在不同导管管径下需要的密封面宽：当导管管径在12mm及以下时，密封面宽取1mm；当导管管径在14mm至32mm时，密封面宽取0.5mm；当密封接触参量提取结果中的密封面宽大于1mm时，则认为管路达到了密封。
管道要实现密封，主要是金属之间接触表面发生塑性变形达到密封，不会构成流体泄漏。典型金属-金属密封形成过程为：硬度不同的金属材料表面发生接触时，在逐渐增大的接触压力作用下，硬度较低材料的表面会先发生塑性微变形，填补两个接触面之间的缝隙，来达到密封的效果。密封接触对表面越光滑，即表面粗糙度越低，接触对接触表面之间的微观间隙越小，那么达到规定密封性能所需的接触挤压力也越小，装配时需要施加在扩口管路连接件上的拧紧力矩也越小。
根据扩口式管路连接件的密封机理，结合其结构特性和材料特性，可以得到保证扩口式管路连接件基本密封性能的三个主要密封指标：
1.密封闭环:由于扩口式管路连接件密封接触面为一对锥面，当发生塑性微变形的密封接触区域在密封接触面上形成一完整立体环形时，可以认为此时塑性微变形填补了密封接触区域中沿周向各处的接触间隙，阻断了可能的泄漏路径，称这一立体环形接触区域为密封闭环。为了提高密封可靠性，需要使密封闭环具有一定宽度，这个宽度称为密封面宽。
2.有效密封面积：将发生塑性微变形的密封接触区域称为有效密封区域，该区域的面积大小称为有效密封面积，在实际生产制造过程中，由于材料缺陷、加工工艺、表面处理及装配质量等因素影响，扩口式管路连接件密封接触对表面不可避免地会存在一些微小的缺陷，进而导致密封闭环的宽度分布不均。此时，在最小密封面宽相等的情况下，有效密封面积越大，则扩口式管路连接件的密封效果越好。
3.有效密封比压：有效密封比压是有效密封面上的接触挤压力与有效密封面积的比值，其为矢量，方向垂直于有效密封区域，有效密封比压的大小为有效密封区域的接触应力均值。
分析振动工况对管路连接件密封性能的影响需要涉及螺纹接触面之间的配合状态，不管是简化了螺纹连接副的模型还是简化了螺纹升角的模型都无法精准模拟振动工况下管路连接件螺纹连接副的松动过程，因此，采用了符合真实管路连接件结构特征的三维有限元模型进行仿真分析。
本发明的有益效果如下：
本发明采用CATIA软件建立3D管道模型，采用Hypermesh软件进行管道有限元模型前处理和约束载荷，采用ANSYS Workbench软件模拟施加振动工况、密封性能计算以及密封接触参量结果提取。本发明通过仿真分析振动工况下管路密封性能的变化过程，探究振动载荷作用点与振动载荷幅值对管路密封性能的影响规律。输出密封面宽、有效密封面积及有效密封接触应力均值这三个指标作为密封接触参量，通过密封接触参量判断密封性能指标，有效判断管道是否产生泄漏，具有较好的实用性。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为管路连接件的装配结构示意图
图3为管道完整三维有限元模型；
图4为管路连接件摩擦力矩示意图；
图5为振动工况加载示意图；
图6为金属-金属密封的微观过程示意图；
图7为密封面接触参量提取流程图；
图8为12个振动周期内轴向预紧力及三种密封接触参量变化曲线；
图9为12个振动周期内外套螺母角位移变化曲线；
图10为不同振动载荷作用点与振幅下外套螺母松动角度变化曲线。
其中：1-扩口导管、2-平管嘴、3-直通管接头、4-外套螺母。
具体实施方式
实施例1：
一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，包括：有限元模型前处理、迭代求解、振动工况模拟仿真分析及后处理参量提取，分别借助CATIA、Hypermesh和ANSYSWorkbench软件完成。采用CATIA软件建立3D管道模型，采用Hypermesh软件进行管道有限元模型前处理和约束载荷，采用ANSYS Workbench软件模拟施加振动工况、密封性能计算以及密封接触参量结果提取。具体步骤包括：
1)管道3D模型建立，
2)管道有限元模型前处理，
3)模拟施加振动工况，使用ANSYS APDL编程密封接触参量结果提取。
本发明为研究振动环境下管道的密封性提供了一种简单明了的工程方法，且对密封接触参量结果的提取具有重要的工程参考价值。
本发明通过仿真分析振动工况下管路密封性能的变化过程，探究振动载荷作用点与振动载荷幅值对管路密封性能的影响规律。本发明通过仿真分析振动工况下管路密封性能的变化过程，探究振动载荷作用点与振动载荷幅值对管路密封性能的影响规律。输出密封面宽、有效密封面积及有效密封接触应力均值这三个指标作为密封接触参量，通过密封接触参量判断密封性能指标，有效判断管道是否产生泄漏。
密封接触参量提取方法，需要通过ANSYS APDL编程进行后处理的结果输出，提取出扩口管与管接头接触表面单元，根据表面接触应力通过APDL编程来判断每个网格单元是否超过屈服强度，来进行对单元数量的累加。最终得到密封接触参量随振动周期的变化而产生的变化，从而可以判断管路密封状态。振动工况下管路密封性能需要通过外套螺母4松动角度来判断密封过程的变化。仿真带有螺纹的管路连接件，通过多个振动周期提取出外套螺母4角位移变化曲线。
实施例2：
一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，应用于管道密封性能仿真分析，包括：有限元模型前处理、迭代求解、密封接触参量结果输出，分别借助CATIA、Hypermesh和ANSYS Workbench软件完成。其中CATIA软件用于3D管道模型建立，Hypermesh软件用于管道有限元模型前处理及定义材料和约束载荷，ANSYS Workbench软件用于模拟施加振动工况、密封性能计算以及密封接触参量结果提取。
优选地，所述的3D管道模型建立，根据HB 4-2-2002扩口管的相关标准建立，通过CATIA草绘界面对管道的平面图进行绘制，再利用旋转操作旋转出完整的管道模型。
优选地，所述的管道有限元模型前处理，包括管道有限元网格划分，材料属性定义，接触对设置及单元类型定义。其中管道有限元网格划分利用Hypermesh软件2D-atuomesh功能定义网格尺寸生成2D网格，再利用3D-spin操作生成3D网格；材料属性定义，利用Hypermesh软件中Utility-Material的模块定义材料属性；接触对设置。
优选地，扩口式管路连接件各零件之间共有五对接触对，分别是：①扩口导管1直管部分与平管嘴2的圆柱形接触对；②平管嘴2与外套螺母4的圆环形接触对；③扩口导管1扩口外锥面与平管嘴2头部内锥面形成的接触对；④扩口导管1扩口部内锥面与管接头对应锥面形成的接触对；⑤外套螺母4与管接头之间的螺旋副接触对，这一接触对由多组内外螺牙接触形成。在三种模型中，①③可以合并为一个接触对，按硬度大小原则设置硬度较大的平管嘴2为Target Body，硬度较小的扩口导管1为Contact Body，②④⑤也按同样原则设置，接触类型设为摩擦接触，摩擦系数取0.15。单元类型定义，通过在Sensor模块中选取solid185单元并将该单元类型赋予给建立的管道有限元模型。
优选地，所述模拟施加振动工况，根据实际振动环境情况下，在扩口管自由端施加径向振动载荷，在直通管接头3非接触端施加固定约束，在扩口导管1与直通管接头3内表面施加均布压力载荷模拟管路工作时流体介质的压迫作用，同时在外套螺母4螺纹端端面施加轴向预紧力模拟拧紧力矩的预紧作用，根据管路连接件拧紧过程的力学分析，导管扩口前需预安装平管嘴2，所以一般可以认为平管嘴2跟扩口管的圆柱形接触对是光滑的，目前对于扩口式管路连接件的研究均忽略了这一接触对的影响。根据机械设计手册可查得②、③、④及⑤号接触对的扭拉关系计算公式：
式中：T2、T3、T4、T5分别为②、③、④及⑤号接触对的摩擦力矩；Fa为轴向预紧力；u2为平管嘴2与外套螺母4的圆环形接触对的摩擦系数；d2为平管嘴2与外套螺母4的圆环形接触对的等效直径：
其中，R2和r2分别为平管嘴2和外套螺母4接触环的内外圈半径；u3为平管嘴2与外套螺母4的圆环形接触对的摩擦系数；d3为扩口导管1扩口部外锥面与平管嘴2头部内锥面形成的接触对的等效直径；a3为扩口导管1扩口部外锥角的一半；u4为扩口导管1扩口部内锥面与管接头对应锥面形成的接触对的摩擦系数；d4为扩口导管1扩口部内锥面与管接头对应锥面形成的接触对的等效直径；a4为扩口导管1扩口部内锥角的一半；d5是外套螺母4与管接头之间的螺旋副的螺纹中径；Ψ是螺旋副的螺纹升角，ψ＝arctan(P/(πd5))，P是螺旋副的螺距；λ是螺旋副的当量摩擦角，λ＝arctan(u5/cosβ)，u5为螺旋副的摩擦系数，无润滑措施时通常u5≈0.1-0.3；β是螺旋副的螺纹半角，β值一般取为30°。
又因为
所以
在拧紧过程中，只有发生相对滑动的接触对才会产生与拧紧力矩T相抵消的摩擦力矩，使整个结构处于一种平衡状态。在实际装配时，由于其它相连结构的约束，扩口导管1与管接头并不会发生旋转，而是通过旋转外套螺母4带动整个管路连接件结构进行压紧，在④号接触对上产生接触压应力来实现密封。因此④号接触对没有发生相对滑动，T4＝0。在旋转外套螺母4时，平管嘴2跟外套螺母4之间会发生相对滑动，而扩口导管1和平管嘴2之间为静摩擦，两者之间相对静止，可以等效为一体，所以T3＝0。此时，扩口式管路连接件的扭拉关系公式为：
进一步，可以得到预紧轴向力Fa和预紧力矩T的转换公式：
根据所述预紧轴向力和预紧力矩的转换公式可以对后续管路连接件施加轴向预紧力模拟拧紧力矩的预紧作用。
优选地，所述密封接触参量结果提取，指在仿真计算结束之后，对扩口管与管接头接触表面部分的单元使用ANSYS APDL命令流编写密封接触参量提取程序，对密封性进行评估。
优选地，以1Cr18Ni9Ti扩口管为例：
首先，需要从整个有限元模型中选中密封接触面的单元，从这些单元中编号最小的单元开始遍历至编号最大的单元，如果单元的接触应力大于管材1Cr18Ni9Ti的屈服强度205MPa，则可以认为这个单元发生了塑性应变，参与形成了有效密封接触面，累加符合条件单元的数量，单元面积，接触应力值。
为了方便密封接触参量的提取，需要提前按计算好的尺寸大小对接触面网格进行规整划分，确保每个网格的大小形状都相同。在二维模型中，因为接触为线接触，所以提取的单元面积即为单元长度，将单元长度累加即可得到密封面宽；有效密封面积则需要提取单元径向坐标最小值及最大值并结合锥面面积公式积分求得；有效密封比压为累积接触应力值与单元数量之比。在三维模型中，密封面宽为单元数量与密封面环向单元数之比，由于会出现密封面宽大小分布不均的情况，所以取密封面宽最小值；每个参与密封的单元的面积累加起来就是有效密封面积；有效密封比压为累积接触应力值与单元数量之比。
优选地，本发明探究了某型球头-接管嘴式管接头在不同导管管径下需要的密封面宽：管径在12mm及以下时，密封面宽取1mm左右较为合理，管径在14mm至32mm时，密封面宽取0.5mm左右较为合理。将密封接触参量提取结果中的密封面宽大于1mm时，认为管路达到了密封。
所述对接触表面接触面积、接触压力均值以及密封带宽的计算部分APDL代码如下：
*DO,II,1,ENUM
*GET,Sstress,ELEM,EMIN,ETAB,ESTRESS
stress_sum＝stress_sum+sstress
*GET,eAREA,ELEM,EMIN,AREA
iniAREA＝iniAREA+eAREA
EMIN＝ELNEXT(EMIN)
*ENDDO
*DO,II,1,ENUM_angle
*GET,Sstress,ELEM,EMIN,ETAB,ESTRESS
stress_sum＝stress_sum+sstress
EMIN＝ELNEXT(EMIN)
*ENDDO
angle_STRESS_AVR(JJ)＝stress_sum/(ENUM_angle+1e-3)
angle_WIDTH(JJ)＝WIDTH*ENUM_angle/RNUM
本发明通过对所述的接触面积、接触压力均值以及密封带宽的后处理提取，可以得到输出有效密封面积、有效密封比压和密封面宽三个密封接触参量指标。最终可以通过对一定振动周期内管路密封性能的变化过程进行分析来把握振动工况对管路密封性能的影响规律。
实施例3：
一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，通过在管道自由端施加不同径向振动载荷，模拟振动工况。本发明通过对管道进行仿真分析，得到12个振动周期内轴向预紧力及三种密封接触参量变化曲线，为制定合理的振动环境下管道密封性能提供理论指导。如图2-图7所示，建立管道CAD以及有限元模型，并通过施加约束载荷进行仿真分析。
如图1所示，本发明的具体步骤如下：
步骤1：根据实际工程应用中的结构尺寸建立扩口式管路连接件的三维实体模型，本实施例选取第1尺寸系列d0＝4mm的管路连接件进行研究分析，扩口导管1的扩口角度为37°，对应的管接头与外套螺母4连接螺旋副规格为M12×1。通过CAD软件CATIA建立管路连接件各零件的三维模型，分别为扩口导管1、平管嘴2、直通管接头3和外套螺母4，将各零件按相关标准规定进行装配后示意图如图2所示。
步骤2：扩口导管1所用的材料是1Cr18Ni9Ti，平管嘴2、管接头以及外套螺母4所用的材料是45号钢，根据材料属性定义相关参数。对管路连接件导入有限元软件Workbench进行1Cr18Ni9Ti和45钢材料属性设置，由于密封对表面粗糙度属于表面形貌特征，较难引入有限元计算，用摩擦系数代替，振动工况对管路连接件应力应变场的影响是全局性的，采用符合真实管路连接件结构特征的三维有限元模型进行分析。如图3所示，选取参与密封的直通管接头3较长端进行扩口式管路连接件有限元建模，得到符合真实螺旋副结构特征的管路连接件完整三维模型。
步骤3：振动工况的加载分为两步，第一步先对管接头自由端施加固定约束同时对外套螺母4施加Bolt Pretension，根据如图4所示的管路连接件摩擦力矩以及管路连接件预紧轴向力Fa和预紧力矩T的转换公式施加相应的Bolt Pretension的大小，模拟管路连接件的预紧状态；第二步在扩口导管1自由端施加径向振动载荷，模拟振动工况。BoltPretension在第一步中加载至目标预紧力值后通过Lock功能即可锁住，方便后续振动载荷施加，加载示意图如图5所示。
步骤4：在加载求解结束后，便可以进行计算结果的后处理分析。保证扩口式管路连接件基本密封性能的三个主要密封准则为密封闭环、有效密封面积及有效密封比压，在有限元分析中，可以通过后处理分析提取密封区域内对应的三个量化指标：密封面宽、有效密封面积及有效密封接触应力均值，称这三个指标为密封接触参量。在后处理提取过程中，通过使用ANSYS APDL编程可以将密封接触参量大小提取出来。密封面接触参量提取流程图如图7所示。并且在Workbench后处理中通过定义柱坐标系及User Defined Result可以提取外套螺母4的角位移。
依据上述步骤，得到如图8-图10所示的密封接触参量提取结果、外套螺母4松动角位移变化曲线和不同振动载荷作用点与振幅下外套螺母4松动角度变化曲线。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：管道3D模型建立：采用CATIA软件建立3D管道模型，建立管路连接件的三维实体模型；
步骤S200：管道有限元模型前处理：采用Hypermesh软件进行管道有限元模型前处理和约束载荷；所述管道有限元模型前处理包括管道有限元网格划分，材料属性定义，接触对设置及单元类型定义；
步骤S300：模拟施加振动工况；
步骤S400：使用ANSYS APDL编程对密封接触参量结果进行提取：密封面宽、有效密封面积及有效密封接触应力均值这三个指标为密封接触参量，用于判断管道密封性能是否产生泄漏；通过ANSYS APDL编程进行后处理的结果输出，提取出接触表面单元，根据表面接触应力以及通过APDL编程来判断每个网格单元是否超过屈服强度，对单元数量累加，最终得到密封接触参量随振动周期的变化而产生的变化，从而判断管路密封状态；
针对扩口式管路连接件，包括以下步骤：
步骤A1：根据结构尺寸，通过CATIA软件建立扩口式管路连接件的三维实体模型，扩口式管路连接件包括扩口导管（1）、平管嘴（2）、直通管接头（3）和外套螺母（4），扩口导管（1）的扩口外锥面外侧套设有平管嘴（2），且扩口内锥面处设置有直通管接头（3），扩口导管（1）的外侧套设安装有外套螺母（4），所述外套螺母（4）的一端与直通管接头（3）螺纹连接，且另一端与平管嘴（2）限位抵接；
步骤A2：确定扩口导管（1）、平管嘴（2）、直通管接头（3）和外套螺母（4）所用的材料，并导入有限元软件Workbench进行材料属性设置，选取参与密封的直通管接头（3）较长端进行扩口式管路连接件有限元建模，得到符合真实螺旋副结构特征的管路连接件完整三维模型；
步骤A3：振动工况的加载：
步骤A31：先对管接头自由端施加固定约束，在扩口导管（1）与直通管接头（3）内表面施加均布压力载荷模拟管路工作时流体介质的压迫作用，同时对外套螺母（4）施加轴向预紧力模拟拧紧力矩的预紧作用，模拟管路连接件的预紧状态，轴向预紧力加载至目标预紧力值后通过Lock功能锁住，方便后续振动载荷施加；
步骤A32：在扩口导管（1）自由端施加径向振动载荷，模拟振动工况；
步骤A4：在加载求解结束后，进行计算结果的后处理分析；在有限元分析中，提取出扩口导管（1）与直通管接头（3）的接触表面单元；在Workbench后处理中，通过定义柱坐标系及User Defined Result提取外套螺母（4）的角位移，用于判断密封过程的变化。
2.根据权利要求1所述的一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，所述步骤A2中，扩口式管路连接件中共有五对接触对，分别是：扩口导管（1）的直管部分与平管嘴（2）的圆柱形接触对①；平管嘴（2）与外套螺母（4）的圆环形接触对②；扩口导管（1）的扩口外锥面与平管嘴（2）头部内锥面形成的接触对③；扩口导管（1）的扩口内锥面与管接头对应锥面形成的接触对④；外套螺母（4）与管接头之间的螺旋副接触对⑤，且由多组内外螺牙接触形成。
3.根据权利要求2所述的一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，步骤A31中，根据管路连接件拧紧过程的力学分析，导管扩口前需预安装平管嘴（2），平管嘴（2）跟扩口导管（1）的直管部分的接触对是光滑的，忽略接触对①，接触对②-接触对⑤的扭拉关系计算公式如下：
式中：T 2、T 3、T 4、T 5分别为接触对②、③、④及⑤的摩擦力矩；
F a 为轴向预紧力；
u 2为平管嘴（2）与外套螺母（4）的圆环形接触对的摩擦系数；
d 2为平管嘴（2）与外套螺母（4）的圆环形接触对的等效直径：
其中：R 2和r 2分别为平管嘴（2）和外套螺母（4）接触环的内、外圈半径；
u 3为平管嘴（2）与外套螺母（4）的圆环形接触对的摩擦系数；
d 3为扩口导管（1）扩口部外锥面与平管嘴（2）头部内锥面形成的接触对的等效直径；
a 3为扩口导管（1）扩口部外锥角的一半；
u 4为扩口导管（1）扩口部内锥面与管接头对应锥面形成的接触对的摩擦系数；
d 4为扩口导管（1）扩口部内锥面与管接头对应锥面形成的接触对的等效直径；
a 4为扩口导管（1）扩口部内锥角的一半；
d 5是外套螺母（4）与管接头之间的螺旋副的螺纹中径；
Ψ是螺旋副的螺纹升角，，P是螺旋副的螺距；
λ是螺旋副的当量摩擦角，，u 5为螺旋副的摩擦系数；β是螺旋副的螺纹半角；
又因为
因此，
在实际装配时，扩口导管（1）与管接头并不会发生旋转，而是通过旋转外套螺母（4）带动整个管路连接件结构进行压紧，在接触对④上产生接触压应力来实现密封，因此接触对④没有发生相对滑动，T 4 =0；
在旋转外套螺母（4）时，平管嘴（2）跟外套螺母（4）之间会发生相对滑动，而扩口导管（1）和平管嘴（2）之间为静摩擦，两者之间相对静止，等效为一体，所以T 3 =0；
此时，扩口式管路连接件的扭拉关系公式为：
进一步，得到预紧轴向力F a 和预紧力矩T的转换公式：
根据预紧轴向力和预紧力矩的转换公式对外套螺母（4）施加轴向预紧力模拟拧紧力矩的预紧作用。
4.根据权利要求1所述的一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，扩口管道的材料为1Cr18Ni9Ti，所述步骤A4中，需要从整个有限元模型中选中密封接触面的单元，从这些单元中编号最小的单元开始遍历至编号最大的单元，如果单元的接触应力大于管材1Cr18Ni9Ti的屈服强度205MPa，则这个单元发生了塑性应变，参与形成了有效密封接触面，累加符合条件单元的数量、单元面积、接触应力值。
5.根据权利要求4所述的一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，在密封接触参量提取之前，按计算好的尺寸大小对接触面网格进行规整划分，确保每个网格的大小形状都相同。
6.根据权利要求4所述的一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，在二维模型中，因为接触为线接触，所以提取的单元面积即为单元长度，将单元长度累加即可得到密封面宽；有效密封面积则需要提取单元径向坐标最小值及最大值并结合锥面面积公式积分求得；有效密封比压为累积接触应力值与单元数量之比。
7.根据权利要求4所述的一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，在三维模型中，密封面宽为单元数量与密封面环向单元数之比，由于会出现密封面宽大小分布不均的情况，所以取密封面宽最小值；每个参与密封的单元的面积累加起来就是有效密封面积；有效密封比压为累积接触应力值与单元数量之比。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种振动环境下管道密封性能仿真分析方法，其特征在于，嘴式管接头在不同导管管径下需要的密封面宽：当导管管径在12mm及以下时，密封面宽取1mm；当导管管径在14mm至32mm时，密封面宽取0.5mm；当密封接触参量提取结果中的密封面宽大于1mm时，则管路达到了密封。
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