石油加氫是石油產(chǎn)品精制、改質(zhì)和重油加工的重要手段。隨著石油、化工裝置向著大型化和高參數(shù)方向發(fā)展， 換熱器作為裝置系統(tǒng)能量平衡和能量回收中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備，其長(zhǎng)周期安全運(yùn)行已愈來(lái)愈受到設(shè)備管理工程師們的重視。加氫裝置中的高壓換熱器擔(dān)負(fù)著原料油與反應(yīng)生成油的熱量交換任務(wù)，由于其內(nèi)部的介質(zhì)為易燃易爆的含氫介質(zhì)，而且操作溫度、操作壓力均較高，臨氫、內(nèi)部有溫度差、膨脹不均勻，不允許有任何泄漏。研究發(fā)現(xiàn)，加氫高壓換熱器的密封主要集中在提高密封墊片性質(zhì)以提高密封性能上。由于加氫高壓換熱器的工作環(huán)境極為苛刻，對(duì)墊片的性能要求比較高，而且墊片在這種環(huán)境下的壽命也比較短，于是就面臨著經(jīng)常更換墊片的問(wèn)題，密封性能直接影響加氫換熱器的可靠性，因此密封結(jié)構(gòu)成為加氫換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)。解決好加氫換熱器內(nèi)漏問(wèn)題，對(duì)加氫裝置的安全、平穩(wěn)生產(chǎn)具有重大意義。
高溫工況下，由于墊片材質(zhì)發(fā)生蛻變、老化以及墊片、螺栓和法蘭蠕變松弛，連接系統(tǒng)更易產(chǎn)生泄漏。為解決法蘭螺栓預(yù)緊力松弛這一問(wèn)題，在螺母和法蘭間加上若干個(gè)預(yù)緊碟簧(見(jiàn)圖 1)，在高溫下密封墊片出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛時(shí)，可利用預(yù)緊碟簧優(yōu)異的回彈性能補(bǔ)償密封墊片與法蘭密封面間的松弛，以預(yù)緊碟簧的微小變形量提供足夠的預(yù)緊力負(fù)荷，從而解決因墊片回彈量不足和螺栓蠕變松弛引起的密封面分離導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏問(wèn)題。
目前，法蘭預(yù)緊碟簧已被逐漸應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的石化裝置中，但對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)及其載荷變形特性未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。針對(duì)高溫預(yù)緊碟簧在法蘭密封中的使用，本文以有限元軟件 ABAQUS 為研究平臺(tái)，采用非線性軸對(duì)稱(chēng)有限元法對(duì)螺栓-法蘭連接用預(yù)緊碟簧在軸向載荷下的壓縮回彈性能進(jìn)行計(jì)算模擬。通過(guò)模擬計(jì)算得到了預(yù)緊碟簧在軸向載荷下加載 -卸載的軸向位移分布規(guī)律， 并在此基礎(chǔ)上，分析了在有無(wú)摩擦作用時(shí)預(yù)緊碟簧的壓縮-回彈性能曲線，研究了摩擦力對(duì)預(yù)緊碟簧工作性能的影響，該研究為進(jìn)一步對(duì)加氫高壓換熱器用法蘭預(yù)緊碟簧的參數(shù)化設(shè)計(jì)以及螺栓-預(yù)緊碟簧-法蘭連接系統(tǒng)的緊密性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
1 碟簧的工作原理
碟簧是采用特殊材質(zhì)沖制而成的，可以在很小的變形下提供足夠的預(yù)緊力載荷，從而有效地減少密封失效的風(fēng)險(xiǎn)，碟簧外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2，其中 D 為外徑，d 為內(nèi)徑，D0 為中性徑( 中性徑是指碟簧截面翻轉(zhuǎn)點(diǎn)所在圓的直徑，點(diǎn)所在圓的直徑 D0 = ( D - d) /ln( D /d) ) ，t 為厚度，H0 為單片碟簧的自由高度，h0為碟簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值( H0 - t) 。
碟簧的壓縮變形量 f 與預(yù)緊力 p 的關(guān)系:
式中，μ—泊松系數(shù); E—屈服強(qiáng)度; f—碟簧壓縮量;
μ 和 E 取決于碟簧材質(zhì)和熱處理工藝，M 取決于碟簧的結(jié)構(gòu)形式，一般來(lái)說(shuō)，α 越大，碟簧的剛度越大。不同的碟簧由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，其回復(fù)力和變形的關(guān)系也不相同，即使是同樣材質(zhì)和規(guī)格的碟簧，由于熱處理工藝的不同，其回復(fù)力和變形的關(guān)系也不相同。當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，預(yù)緊碟簧吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)化成位能( 勢(shì)能) 儲(chǔ)存在碟簧中，當(dāng)設(shè)備由于溫度變化、 壓力變化或機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力松弛時(shí)，將釋放位能( 勢(shì)能) 轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，對(duì)螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行補(bǔ)償，使螺栓的預(yù)緊力始終保持在墊片密封所需要的預(yù)緊力范圍之內(nèi)。
2 模型建立及模擬參數(shù)設(shè)定
2. 1 建立幾何模型
從預(yù)緊碟簧的形狀、所受載荷及約束情況來(lái)看，由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的，因而在建立有限元模型時(shí)， 采用二維軸對(duì)稱(chēng)平面幾何模型， 見(jiàn)圖 3。在考慮非線性問(wèn)題時(shí)， 除考慮了幾何與物理非線性問(wèn)題外，針對(duì)接觸非線性問(wèn)題， 將螺母與法蘭簡(jiǎn)化為剛性體。該碟簧外徑 D = 90 mm、內(nèi)徑 d = 46 mm、厚度 t = 5 mm、碟簧的自由高度 H0 = 7、碟簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值 h0 = 2。
2. 2 定義材料模型
為開(kāi)展碟簧的彈塑性分析，通過(guò)簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)測(cè)定了預(yù)緊碟簧材料的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系，見(jiàn)圖 4。材料的彈性模量為 2. 06 × 105 MPa，泊松比為 0. 3，屈服強(qiáng)度約 1100 MPa。在 ABAQUS 有限元軟件中采用彈塑性硬化材料模型，此時(shí)應(yīng)力是塑性應(yīng)變的函數(shù)。在本實(shí)例中材料的初始屈服條件使用 Mises 屈服準(zhǔn)則。
2. 3 有限元網(wǎng)格劃分
對(duì)平面二維軸對(duì)稱(chēng)模型的碟簧采用雙線性減縮積分軸對(duì)稱(chēng)四邊形單元 CAX4R，劃分 8 184 個(gè)軸對(duì)稱(chēng)規(guī)則四邊形單元， 由于螺母及法蘭簡(jiǎn)化為剛性體，不用對(duì)其劃分網(wǎng)格，預(yù)緊碟簧的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 5。
2. 4 接觸條件及摩擦屬性的定義
由于在螺栓擰緊和預(yù)緊碟簧工作過(guò)程中，軸向載荷是由螺母和法蘭通過(guò)接觸和擠壓途徑傳遞給墊圈的，所以在建模時(shí)，還考慮到了螺母、法蘭和預(yù)緊碟簧之間的接觸狀況，在螺母、墊圈和法蘭間設(shè)置了接觸單元。在螺母與碟簧的接觸對(duì)中， 主面為螺母表面，從面為碟簧上表面; 碟簧與法蘭接觸對(duì)中主面為法蘭上表面，從面為碟簧下表面，在各個(gè)接觸對(duì)中選用經(jīng)典庫(kù)倫摩擦，接觸對(duì)之間的滑移選用有限滑移。
2. 5 加載及求解
由于法蘭 - 螺栓連接系統(tǒng)及碟簧的形狀、 所受載荷及約束均具有軸對(duì)稱(chēng)性， 因此對(duì)碟簧及法蘭施加軸對(duì)稱(chēng)約束。對(duì)螺母采用集中力加載方式，加載力為 50 kN，加載采用 Smooth step 的幅值曲線。
3 模擬結(jié)果分析
3. 1 預(yù)緊碟簧在承受軸向載荷時(shí)的應(yīng)力及位移
50 kN 軸向載荷下預(yù)緊碟簧 Mises 應(yīng)力分布見(jiàn)圖 6，50 kN 軸向載荷預(yù)緊碟簧軸向位移分布見(jiàn)圖7。由圖可知在該載荷下， 預(yù)緊碟簧中的部分材料已進(jìn)入了塑性屈服階段，但沿預(yù)緊碟簧徑向能夠保持均勻變形。從圖 6 可以看出， 首次壓縮到工作位置時(shí)， 碟簧截面上Ⅱ點(diǎn)和Ⅳ點(diǎn)連線附近是 Mises 等效應(yīng)力最小值分布區(qū)域， 由該區(qū)域沿軸向向兩側(cè)擴(kuò)展，Mises 等效應(yīng)力逐漸增大， 碟簧的最大 Mises 等效應(yīng)力發(fā)生于Ⅲ點(diǎn)處。
3. 2 預(yù)緊碟簧在軸向載荷卸載時(shí)的應(yīng)力及位移分析
軸向載荷卸除后預(yù)緊碟簧 Mises 應(yīng)力分布見(jiàn)圖8，軸向載荷卸除后預(yù)緊碟簧軸向位移分布見(jiàn)圖 9。由圖可知，在軸向 50 kN 載荷卸除后除了在碟簧與螺母、 法蘭的接觸部位有較大的殘余應(yīng)力以外，墊圈的其余部分基本處于零應(yīng)力狀態(tài)， 且各節(jié)點(diǎn)在卸載后沿墊圈徑向的軸向變形仍保持均勻狀態(tài)。
3. 3 預(yù)緊碟簧的壓縮回彈性能分析
采用非線性有限元軟件 ABAQUS 對(duì)碟簧的壓縮回彈性能進(jìn)行分析，在考慮摩擦力影響的前提下，預(yù)緊碟簧承受 0 ～ 50 kN 軸向載荷下的壓縮-回彈曲線見(jiàn)圖 10，從圖中可以看出軸向載荷 30 kN 以下碟簧基本處于彈性( 線性) 段。在 30 ～ 50 kN 碟簧處于非線性段，這是由于加載或卸載時(shí)，碟簧與螺母、法蘭之間存在摩擦力，導(dǎo)致此時(shí)的回彈曲線也具有一定程度的非線性特征，因此可知螺母、碟簧和法蘭間的潤(rùn)滑狀況，即三者之間摩擦力的大小對(duì)碟簧壓縮 - 回彈性能有較顯著的影響。
在不考慮摩擦力時(shí)預(yù)緊碟簧的壓縮- 回彈曲線見(jiàn)圖 11，由圖可見(jiàn)，該碟簧第一次加載時(shí)的壓縮曲線與考慮摩擦?xí)r的基本相同，而第一次卸載時(shí)的回彈曲線、再次加載時(shí)的壓縮曲線和再次卸載時(shí)的回彈曲線基本上屬于線性特征。
圖 10 和圖 11 均表明，無(wú)論摩擦狀況如何，在同一載荷下重復(fù)加、卸載時(shí)，碟簧的回彈曲線均彼此重合，即具有相同的回彈剛度，且在彈性段，壓縮剛度近似等于回彈剛度。圖 10 和圖 11 還表明，在加、卸載的彈性段，有摩擦?xí)r的碟簧壓縮剛度和回彈剛度略低于無(wú)摩擦?xí)r的剛度。
3. 4 等效塑性應(yīng)變分析
等效塑性應(yīng)變 PEEQ是整個(gè)變形過(guò)程中塑性應(yīng)變的累積結(jié)果，等效塑性應(yīng)變 PEEQ大于0 表明材料發(fā)生了屈服。預(yù)緊碟簧在承受軸向載荷 50 kN卸載后的等效塑性應(yīng)變分布見(jiàn)圖 12，從圖中可以看出，除了預(yù)緊碟簧右下角Ⅲ處的等效塑性應(yīng)變PEEQ大于0，表明已經(jīng)發(fā)生了屈服外，其余部分的等效塑性應(yīng)變 PEEQ均接近于0，表明碟簧材料處在彈性范圍內(nèi)。
4 結(jié)語(yǔ)
本文采用非線性有限元方法對(duì)螺栓-法蘭連接用碟簧軸向載荷下的壓縮回彈特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了碟簧軸向載荷下的變形規(guī)律，并分析了在軸向載荷卸載后碟簧的等效塑性應(yīng)變，為預(yù)緊碟簧的規(guī)范化、參數(shù)化設(shè)計(jì)以及含預(yù)緊碟簧的螺栓-法蘭連接系統(tǒng)的緊密性分析與設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本文所研究的碟簧適用于螺栓溫度低于 650 ℃ 的法蘭連接，應(yīng)用于反應(yīng)器、熱交換器、高溫閥門(mén)、高溫泵以及高、低溫管線等的螺栓法蘭連接系統(tǒng)，碟簧除了可增加連接系統(tǒng)的彈性?xún)?chǔ)備，以補(bǔ)償高溫下墊片的蠕變松弛以及壓力溫度波動(dòng)造成的螺栓、法蘭和密封件的變形外，還能將機(jī)械振動(dòng)的危害降到最低，密封連接持久可靠，能夠有效解決高溫工況下螺栓法蘭連接系統(tǒng)的泄漏問(wèn)題，因此碟簧廣泛應(yīng)用于石化、電力、核能、冶金、造紙、制藥、食品加工等部門(mén)。
高溫工況下，由于墊片材質(zhì)發(fā)生蛻變、老化以及墊片、螺栓和法蘭蠕變松弛，連接系統(tǒng)更易產(chǎn)生泄漏。為解決法蘭螺栓預(yù)緊力松弛這一問(wèn)題，在螺母和法蘭間加上若干個(gè)預(yù)緊碟簧(見(jiàn)圖 1)，在高溫下密封墊片出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛時(shí)，可利用預(yù)緊碟簧優(yōu)異的回彈性能補(bǔ)償密封墊片與法蘭密封面間的松弛，以預(yù)緊碟簧的微小變形量提供足夠的預(yù)緊力負(fù)荷，從而解決因墊片回彈量不足和螺栓蠕變松弛引起的密封面分離導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏問(wèn)題。
目前，法蘭預(yù)緊碟簧已被逐漸應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的石化裝置中，但對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)及其載荷變形特性未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。針對(duì)高溫預(yù)緊碟簧在法蘭密封中的使用，本文以有限元軟件 ABAQUS 為研究平臺(tái)，采用非線性軸對(duì)稱(chēng)有限元法對(duì)螺栓-法蘭連接用預(yù)緊碟簧在軸向載荷下的壓縮回彈性能進(jìn)行計(jì)算模擬。通過(guò)模擬計(jì)算得到了預(yù)緊碟簧在軸向載荷下加載 -卸載的軸向位移分布規(guī)律， 并在此基礎(chǔ)上，分析了在有無(wú)摩擦作用時(shí)預(yù)緊碟簧的壓縮-回彈性能曲線，研究了摩擦力對(duì)預(yù)緊碟簧工作性能的影響，該研究為進(jìn)一步對(duì)加氫高壓換熱器用法蘭預(yù)緊碟簧的參數(shù)化設(shè)計(jì)以及螺栓-預(yù)緊碟簧-法蘭連接系統(tǒng)的緊密性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
1 碟簧的工作原理
碟簧是采用特殊材質(zhì)沖制而成的，可以在很小的變形下提供足夠的預(yù)緊力載荷，從而有效地減少密封失效的風(fēng)險(xiǎn)，碟簧外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2，其中 D 為外徑，d 為內(nèi)徑，D0 為中性徑( 中性徑是指碟簧截面翻轉(zhuǎn)點(diǎn)所在圓的直徑，點(diǎn)所在圓的直徑 D0 = ( D - d) /ln( D /d) ) ，t 為厚度，H0 為單片碟簧的自由高度，h0為碟簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值( H0 - t) 。
碟簧的壓縮變形量 f 與預(yù)緊力 p 的關(guān)系:
式中，μ—泊松系數(shù); E—屈服強(qiáng)度; f—碟簧壓縮量;
μ 和 E 取決于碟簧材質(zhì)和熱處理工藝，M 取決于碟簧的結(jié)構(gòu)形式，一般來(lái)說(shuō)，α 越大，碟簧的剛度越大。不同的碟簧由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，其回復(fù)力和變形的關(guān)系也不相同，即使是同樣材質(zhì)和規(guī)格的碟簧，由于熱處理工藝的不同，其回復(fù)力和變形的關(guān)系也不相同。當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，預(yù)緊碟簧吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)化成位能( 勢(shì)能) 儲(chǔ)存在碟簧中，當(dāng)設(shè)備由于溫度變化、 壓力變化或機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力松弛時(shí)，將釋放位能( 勢(shì)能) 轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，對(duì)螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行補(bǔ)償，使螺栓的預(yù)緊力始終保持在墊片密封所需要的預(yù)緊力范圍之內(nèi)。
2 模型建立及模擬參數(shù)設(shè)定
2. 1 建立幾何模型
從預(yù)緊碟簧的形狀、所受載荷及約束情況來(lái)看，由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的，因而在建立有限元模型時(shí)， 采用二維軸對(duì)稱(chēng)平面幾何模型， 見(jiàn)圖 3。在考慮非線性問(wèn)題時(shí)， 除考慮了幾何與物理非線性問(wèn)題外，針對(duì)接觸非線性問(wèn)題， 將螺母與法蘭簡(jiǎn)化為剛性體。該碟簧外徑 D = 90 mm、內(nèi)徑 d = 46 mm、厚度 t = 5 mm、碟簧的自由高度 H0 = 7、碟簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值 h0 = 2。
2. 2 定義材料模型
為開(kāi)展碟簧的彈塑性分析，通過(guò)簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)測(cè)定了預(yù)緊碟簧材料的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系，見(jiàn)圖 4。材料的彈性模量為 2. 06 × 105 MPa，泊松比為 0. 3，屈服強(qiáng)度約 1100 MPa。在 ABAQUS 有限元軟件中采用彈塑性硬化材料模型，此時(shí)應(yīng)力是塑性應(yīng)變的函數(shù)。在本實(shí)例中材料的初始屈服條件使用 Mises 屈服準(zhǔn)則。
2. 3 有限元網(wǎng)格劃分
對(duì)平面二維軸對(duì)稱(chēng)模型的碟簧采用雙線性減縮積分軸對(duì)稱(chēng)四邊形單元 CAX4R，劃分 8 184 個(gè)軸對(duì)稱(chēng)規(guī)則四邊形單元， 由于螺母及法蘭簡(jiǎn)化為剛性體，不用對(duì)其劃分網(wǎng)格，預(yù)緊碟簧的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 5。
2. 4 接觸條件及摩擦屬性的定義
由于在螺栓擰緊和預(yù)緊碟簧工作過(guò)程中，軸向載荷是由螺母和法蘭通過(guò)接觸和擠壓途徑傳遞給墊圈的，所以在建模時(shí)，還考慮到了螺母、法蘭和預(yù)緊碟簧之間的接觸狀況，在螺母、墊圈和法蘭間設(shè)置了接觸單元。在螺母與碟簧的接觸對(duì)中， 主面為螺母表面，從面為碟簧上表面; 碟簧與法蘭接觸對(duì)中主面為法蘭上表面，從面為碟簧下表面，在各個(gè)接觸對(duì)中選用經(jīng)典庫(kù)倫摩擦，接觸對(duì)之間的滑移選用有限滑移。
2. 5 加載及求解
由于法蘭 - 螺栓連接系統(tǒng)及碟簧的形狀、 所受載荷及約束均具有軸對(duì)稱(chēng)性， 因此對(duì)碟簧及法蘭施加軸對(duì)稱(chēng)約束。對(duì)螺母采用集中力加載方式，加載力為 50 kN，加載采用 Smooth step 的幅值曲線。
3 模擬結(jié)果分析
3. 1 預(yù)緊碟簧在承受軸向載荷時(shí)的應(yīng)力及位移
50 kN 軸向載荷下預(yù)緊碟簧 Mises 應(yīng)力分布見(jiàn)圖 6，50 kN 軸向載荷預(yù)緊碟簧軸向位移分布見(jiàn)圖7。由圖可知在該載荷下， 預(yù)緊碟簧中的部分材料已進(jìn)入了塑性屈服階段，但沿預(yù)緊碟簧徑向能夠保持均勻變形。從圖 6 可以看出， 首次壓縮到工作位置時(shí)， 碟簧截面上Ⅱ點(diǎn)和Ⅳ點(diǎn)連線附近是 Mises 等效應(yīng)力最小值分布區(qū)域， 由該區(qū)域沿軸向向兩側(cè)擴(kuò)展，Mises 等效應(yīng)力逐漸增大， 碟簧的最大 Mises 等效應(yīng)力發(fā)生于Ⅲ點(diǎn)處。
3. 2 預(yù)緊碟簧在軸向載荷卸載時(shí)的應(yīng)力及位移分析
軸向載荷卸除后預(yù)緊碟簧 Mises 應(yīng)力分布見(jiàn)圖8，軸向載荷卸除后預(yù)緊碟簧軸向位移分布見(jiàn)圖 9。由圖可知，在軸向 50 kN 載荷卸除后除了在碟簧與螺母、 法蘭的接觸部位有較大的殘余應(yīng)力以外，墊圈的其余部分基本處于零應(yīng)力狀態(tài)， 且各節(jié)點(diǎn)在卸載后沿墊圈徑向的軸向變形仍保持均勻狀態(tài)。
3. 3 預(yù)緊碟簧的壓縮回彈性能分析
采用非線性有限元軟件 ABAQUS 對(duì)碟簧的壓縮回彈性能進(jìn)行分析，在考慮摩擦力影響的前提下，預(yù)緊碟簧承受 0 ～ 50 kN 軸向載荷下的壓縮-回彈曲線見(jiàn)圖 10，從圖中可以看出軸向載荷 30 kN 以下碟簧基本處于彈性( 線性) 段。在 30 ～ 50 kN 碟簧處于非線性段，這是由于加載或卸載時(shí)，碟簧與螺母、法蘭之間存在摩擦力，導(dǎo)致此時(shí)的回彈曲線也具有一定程度的非線性特征，因此可知螺母、碟簧和法蘭間的潤(rùn)滑狀況，即三者之間摩擦力的大小對(duì)碟簧壓縮 - 回彈性能有較顯著的影響。
在不考慮摩擦力時(shí)預(yù)緊碟簧的壓縮- 回彈曲線見(jiàn)圖 11，由圖可見(jiàn)，該碟簧第一次加載時(shí)的壓縮曲線與考慮摩擦?xí)r的基本相同，而第一次卸載時(shí)的回彈曲線、再次加載時(shí)的壓縮曲線和再次卸載時(shí)的回彈曲線基本上屬于線性特征。
圖 10 和圖 11 均表明，無(wú)論摩擦狀況如何，在同一載荷下重復(fù)加、卸載時(shí)，碟簧的回彈曲線均彼此重合，即具有相同的回彈剛度，且在彈性段，壓縮剛度近似等于回彈剛度。圖 10 和圖 11 還表明，在加、卸載的彈性段，有摩擦?xí)r的碟簧壓縮剛度和回彈剛度略低于無(wú)摩擦?xí)r的剛度。
3. 4 等效塑性應(yīng)變分析
等效塑性應(yīng)變 PEEQ是整個(gè)變形過(guò)程中塑性應(yīng)變的累積結(jié)果，等效塑性應(yīng)變 PEEQ大于0 表明材料發(fā)生了屈服。預(yù)緊碟簧在承受軸向載荷 50 kN卸載后的等效塑性應(yīng)變分布見(jiàn)圖 12，從圖中可以看出，除了預(yù)緊碟簧右下角Ⅲ處的等效塑性應(yīng)變PEEQ大于0，表明已經(jīng)發(fā)生了屈服外，其余部分的等效塑性應(yīng)變 PEEQ均接近于0，表明碟簧材料處在彈性范圍內(nèi)。
4 結(jié)語(yǔ)
本文采用非線性有限元方法對(duì)螺栓-法蘭連接用碟簧軸向載荷下的壓縮回彈特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了碟簧軸向載荷下的變形規(guī)律，并分析了在軸向載荷卸載后碟簧的等效塑性應(yīng)變，為預(yù)緊碟簧的規(guī)范化、參數(shù)化設(shè)計(jì)以及含預(yù)緊碟簧的螺栓-法蘭連接系統(tǒng)的緊密性分析與設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本文所研究的碟簧適用于螺栓溫度低于 650 ℃ 的法蘭連接，應(yīng)用于反應(yīng)器、熱交換器、高溫閥門(mén)、高溫泵以及高、低溫管線等的螺栓法蘭連接系統(tǒng)，碟簧除了可增加連接系統(tǒng)的彈性?xún)?chǔ)備，以補(bǔ)償高溫下墊片的蠕變松弛以及壓力溫度波動(dòng)造成的螺栓、法蘭和密封件的變形外，還能將機(jī)械振動(dòng)的危害降到最低，密封連接持久可靠，能夠有效解決高溫工況下螺栓法蘭連接系統(tǒng)的泄漏問(wèn)題，因此碟簧廣泛應(yīng)用于石化、電力、核能、冶金、造紙、制藥、食品加工等部門(mén)。