摘 要：通过有限元分析和模拟，在不同的骨架结构参数下，对波齿复合垫片的压缩回弹性能进行测试。从而得到不同状态下的应力分布、压缩回弹性能和结构参数的关系，进而用于优化波齿复合垫片的结构性能。分析结果表明：在相同波深的条件下，随着波齿距的增大，压缩率相应增大，而回弹率却相应减小。
关 键 词：结构参数； 压缩回弹性能； 有限元分析
波齿复合垫片是通过模压、滚压或车削等工艺在密封表面上加工出同心的波形圈，密封面上粘贴柔性石墨，构成组合式静密封垫片。柔性石墨波齿复合垫片有垫片压缩回弹性好，热传导好等优点。多应用于高温、高压及易腐蚀的场合，如换热器、阀门、管道等法兰联接的密封件。波齿复合垫片在一般应用场合可再生使用，相当经济有效。
波齿复合垫片是线接触静密封垫片，其金属骨架提供机械支撑，根据采用的垫片型式、金属厚度、波齿距及波深决定其压缩回弹性能。在波齿垫片金属骨架表面粘贴石墨层，适用于不太平整的密封面。
压缩率和回弹率是测试波齿复合垫片性能的重要指标。压缩率代表垫片的承载能力，回弹率则代表垫片的回弹能力，波齿复合垫片的压缩回弹性能对垫片的密封性能有很大的影响，主要体现在垫片对载荷波动情况下的补偿适应能力，因此就要求垫片既要具有一定的压缩率，更要保证有一定的回弹率[1]。同时对垫片性能起决定作用的金属骨架结构，绝大多数厂家仅凭经验生产，缺乏科学的理论分析，致使垫片性能差异很大，安全可靠性得不到保证。因此，合理设计骨架的结构是非常必要的[2]。
1 基本结构和密封特点
1.1 基本结构
波齿复合垫片的结构型式分为基本型、带定位环型和带定位耳型[3]。波齿复合垫片的基本型结构如图1所示，基本参数包括垫片厚度T、波深h、齿距P、金属骨架厚度t、外径D3及内径D2等。本文主要研究骨架圆弧半径、波齿距、及齿数对波齿复合垫片性能的影响。
图1 波齿复合垫片结构
Fig.1 Structure of corrugated composite gasket
1.2 密封特点
石墨波齿复合垫片金属骨架具有良好的弹性,使用时螺栓法兰上紧,将石墨材料压人沟槽,金属骨架上下表面的环形波峰与法兰紧密接触。当法兰被进一步压紧时金属骨架产生弹性变形,并使膨胀石墨受到压缩,被封闭在金属骨架与法兰面之间形成的环形密闭空间里。这样,整个复合垫片就产生了多道金属密封和膨胀石墨材料的双重密封[4]。
2 波齿复合垫片的性能研究
2.1 模型计算
本文中用于模拟计算的波齿复合垫片的规格为Ø120.5 mm × Ø88.5 mm×3.0 mm (符合GB/ T 19066.1-2008)，即垫片的内径D2=88.5 mm，外径D3=120.5 mm，厚度T = 3.0 mm。
2.1.1 模型的建立
波齿复合垫片的几何结构和载荷均有轴对称性，建立二维轴对称模型。金属骨架采用奥氏体不锈钢1Cr18Ni9T，弹性模量2.06el1，泊松比为 0.3。柔性石墨的弹塑性数据由文献查找得到[5]。
垫片应用平面应力分析单元类型plane182。考虑到金属骨架和石墨层的接触情况，在金属骨架和石墨层之间设置两个面-面接触对。网格划分使用四边形单元，自由化网格划分技术。假设上下法兰为刚性平板，限制垫片两端x轴方向的移动，并延y轴方向固定其上表面，下表面施加轴向载荷45 MPa[6]。通过施加若干载荷步来模拟垫片的加载和卸载过程。
2.1.2 骨架结构
本文将主要研究波深分别为0.5 mm和1 mm时，波齿复合垫片性能与结构参数的关系（表1，2）。
表2 1 mm波深骨架结构参数
Table 2 Structure parameters of 1 mm depth of tooth
2.1.3 压缩率与回弹率的计算
压缩性指初始压缩后垫片厚度的改变量,表征了垫片柔软性的大小。回弹性指卸载后垫片厚度的回复量，表征对密封面分离后的补偿能力。垫片的压缩率和回弹率可分别按照公式(1)和公式(2)进行计算[7]。
（1）压缩率
式中:0δ为垫片在总载荷下的压缩量,mm; t为垫片的厚度,mm。
（2）回弹率
式中:0δ为垫片在总载荷下的压缩量,mm;1δ为垫片在卸载后的压缩量,mm; t0为垫片的初始厚度,mm。
2.2 计算结果与处理
根据有限元模型计算出波齿复合垫片在施加压缩载荷为45 MPa,加载、卸载速度为0.5 MPa/s时的压缩回弹曲线，如图3、图4。图中SG为垫片压紧应力，MPa;DG为垫片压缩量,即沿垫片压紧应力SG方向的变化量,mm。图2为1号垫片的Mises应力分布。
图2 1#垫片Mises应力分布
Fig.2 Mises stress distribution of the gasket 1
图3 0.5 mm波深垫片压缩回弹特性曲线
Fig.3 Compressibility and resilience curve of 0.5 mm depth of tooth
图4 1 mm波深垫片压缩回弹特性曲线
Fig.4 Compressibility and resilience curve of 1 mm depth of tooth
表1 0.5 mm波深骨架结构参数
Table 1 Structure parameters of 0.5 mm depth of tooth
从图3和图4可以看出, 波齿复合垫压缩回弹曲线具有非线性和非保守性特征。垫片的弹性和塑性变形量均随垫片应力的增大而增大, 其压缩和回弹时的弹性模量不同。不同结构参数下的垫片压缩回弹曲线形状较为相似。垫片卸载过程中的变形量小于加载过程的变形量, 这与大多数垫片的压缩回弹特性类似[8]。
通过模拟收集重要数据，包括加载后DG的最大值，即0δ；卸载完成后的压缩量1δ。结合上文中公式(1)和公式(2)计算出垫片的压缩量，回弹量，压缩率和回弹率，如表3所示。
3 结果分析与讨论
按照国家标准对波齿复合垫片要求的压缩率
本文模拟所用4、 5、6号波齿复合垫片的压缩率略大于要求,其余指标均达到要求。
（1） 当波深h相同时，随着波齿距P和圆弧半径R的增大，压缩率逐步增大，回弹率却逐步减小。当垫片有较大的波齿距和圆弧半径时，有较好的压缩率，此时垫片柔性增大,塑性变形增加,回弹能力弱。
（2） 当圆弧半径R相同时，随着波深h和波齿距P增大，压缩率逐步增大，回弹率逐步减小。说明当垫片有较大的波深和波齿距时，柔性增大,塑性变形增加,回弹能力弱。
（3）当波齿距P和齿数N相同时， 圆弧半径R变小，回弹率也变小，压缩率却增大。
（4）波峰处应力较大，应力极值出现在垫片内径和外径处。
结合以上分析，波深对波齿复合垫片的压缩回弹性能影响最大，其次为波齿距和圆弧半径。1号垫片有最好的回弹率，4号垫片有最好的压缩率。参照国家标准，1号垫片综合性能最优。
4 结束语
通过有限元模拟,本文分析了波深、波齿距、圆弧半径及齿数对垫片性能的影响，以及对不同结构参数的波齿复合垫片进行压缩回弹性能测试。分析结果表明，通过合理的分析和结构设计,波齿复合垫片具有优良密封性能。接下来的任务需要通过选用不同参数的一系列垫片，在试验的基础上加以进一步比对分析，从而得到最优解。
