本文建立法兰垫片连接的简化三维模型，通过Workbench对密封垫片进行有限元模拟仿真，得出在某一位移载荷下垫片的压缩回弹性曲线，观察垫片在加载和卸载时所受压力变化，为垫片分析及设计提供依据，减少试验成本。
垫片密封是一种广泛运用压力容器、连接管道等连接处静密封，当垫片预紧到一定量时，需要保证最低载荷，从而实现密封。垫片的压缩回弹性能影响其密封性好坏，是重要的力学性能[ 1]。垫片在两构件之间传递压力，受到压紧力而表现出高度的非线性与复杂的时滞性[ 2]，也就是当垫片完全卸载时，其位移不会回复到原来位置，仍然有少部分压缩量。当垫片收缩量小于一定值，此时垫片不会受压，意味着密封失效。因此，本文基于有限元仿真，模拟出垫片在某一压缩量的位移载荷下卸载后所表现的曲线特性，用于分析垫片由于松动而使外载荷压缩量变化时，垫片所受压强是否大于流体介质的压强。
1 垫片密封原理
垫片密封一般由法兰、垫片、螺栓等组合而成[ 3]，垫片需要在接合面密封，且对流体介质而言，不发生渗透与腐蚀，还要能承受高温高压，垫片受到压缩后，由于自身发生弹性或塑性变形而阻止介质的流出[4]。如图1所示，是垫片密封的二维简化图，中间受挤压的是垫片。由螺栓固定。
图 1 法兰垫片二维简化示意图
图2 垫片材料特性曲线
2 有限元分析
先用UG建立三维有限元模型并导入Workbench，定义法兰为普通钢，Workbench有一种可定义垫片材料的单元，选择垫片为Gasket NonLinear Unloading，并设置体Gasket，如图2所示，为选择材料特性曲线，此材料的特性曲线也可以自行定义，本文直接利用软件所提供材料单元，可以观察到当材料在不同的压力下完全卸载，垫片并没有沿原来路线返回，且压力越大，变形也越大。
画好网格，图3是网格模型，其中为便于分析，螺栓螺母在图中省略，简化分析，定义均布位移载荷在法兰端面上，时间步为2，即0s ～1 s内均匀增加，1 s～2 s内均匀减少，位移载荷设置为0.05 mm。图4是载荷步设置，在1 s时，位移达到最大值0.05 mm，对下法兰设定全约束。
图3 网格模型
图4 载荷步设置
3 求解与分析
设定Normal Gasket Pressure与Normal Gasket Total Closure求解，将二者结果表征于一张图标上，如图5所示，即为所求垫片在位移载荷0.05 mm下所对应的压强闭合曲线，如果将位移与压强取正，其反映的正是垫片压缩回弹性曲线，与材料设定曲线趋势一致。从图中可以观察到，压缩阶段，垫片沿直线上升，卸载后，沿曲线下降，压缩量为0.05 mm时，对应压强为1.35 MPa。图中压缩量对应压强有两个值，一个是加载值，一个是卸载值，垫片压紧量为0.05 mm时，如果由于工作过程中导致垫片松动，压缩量减少，此时可以从图中卸载曲线观察到垫片压缩量所对应压强值，从而可以判断垫片的收缩量在变化过程中，所受压强是否大于流体介质压强，压缩量减至0.03 mm时，垫片基本不受压。
图5 垫片压缩回弹曲线
4 结语
垫片的压缩回弹性反映了其重要的力学性能，在密封过程中是分析的关键，Workbench有限元软件能模拟垫片在压缩与卸载时位移与压强的关系，将其压缩回弹性曲线表征出来，用于观察在变化外力条件下，垫片所承受的压强是否满足最小密封值，简化问题，并为垫片设计提供参考，改善密封性能。
