什么是墊片？

墊片的主要用途是在兩個法蘭之間提供堅固的密封，以承受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，防止暴露于不同的材料，并確保整個系統(tǒng)的完整性。重要的例子包括內(nèi)燃機(jī)中的缸蓋和閥蓋墊圈。

 

 

 

為什么我們使用墊圈？

一個經(jīng)常被問到的問題是，“為什么不直接將法蘭夾緊在一起，而是使用墊圈？”

 

盡管這種方法很簡單，但它并不是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。夾緊法蘭需要使用更多的螺栓、平滑加工法蘭（增加成本），或者可能進(jìn)行焊接，這會在拆卸過程中帶來復(fù)雜性。

 

墊圈在防止泄漏和確保密封部件的完整性方面發(fā)揮著決定性作用。了解它們在復(fù)雜裝配體和負(fù)載條件下的行為和屬性對于準(zhǔn)確的工程分析至關(guān)重要。

 

墊片的典型應(yīng)用有哪些？

典型應(yīng)用包括：

在內(nèi)燃機(jī)中，墊片應(yīng)用包括氣缸蓋墊片、排氣歧管墊片、閥蓋墊片和進(jìn)氣歧管墊片。

l醫(yī)療設(shè)備

l食品包裝

l手機(jī)  

l燃料電池

 

我們使用什么類型的墊圈？

墊片有不同類型，包括金屬墊片和非金屬墊片。金屬墊圈由鋼、鋁和銅制成，具有耐用性和彈性。非金屬墊片可由纖維材料、復(fù)合材料、模壓橡膠和石墨制成。每種材料類型都是根據(jù)其特定屬性和應(yīng)用要求來選擇的。

 

墊片分析的挑戰(zhàn)

由于其復(fù)雜的幾何形狀和復(fù)雜的行為，尤其是沿厚度方向的機(jī)械響應(yīng)，墊片模擬在高級工程分析中可能具有挑戰(zhàn)性但又至關(guān)重要。

 

l面內(nèi)尺寸通常與厚度顯著不同，這可能導(dǎo)致復(fù)雜的網(wǎng)格劃分過程。

l有限元分析可能需要復(fù)雜的模型來解釋復(fù)雜的厚度行為、復(fù)雜的校準(zhǔn)和網(wǎng)格劃分，并產(chǎn)生具有數(shù)百萬自由度的復(fù)雜模型。

 

此外，必須結(jié)合整體結(jié)構(gòu)和天花板分析來考慮墊片，以解決法蘭和緊固件的合規(guī)性。

整體方法對于解決這些復(fù)雜性至關(guān)重要，承認(rèn)墊片在更廣泛的結(jié)構(gòu)背景中的作用。

 

Abaqus 解決方案：墊片元件

Abaqus引入了帶有墊片元件的專用解決方案，專門用于對墊片進(jìn)行建模。這些元素通過以下方式改善和簡化了與墊片相關(guān)的網(wǎng)格劃分和建模挑戰(zhàn)：

l通過消除過度細(xì)化實體單元網(wǎng)格的需要來提高網(wǎng)格質(zhì)量。

l在整個厚度范圍內(nèi)使用一層墊片元素簡化網(wǎng)格創(chuàng)建。

l通過使用輪廓確定網(wǎng)格劃分要求來簡化網(wǎng)格修改。

l利用本構(gòu)模型來解決與整個厚度的機(jī)械響應(yīng)有關(guān)的復(fù)雜墊片厚度行為。數(shù)據(jù)可以從測試數(shù)據(jù)或墊片橫截面的有限元模型結(jié)果輸入。

 

Abaqus/Standard中的預(yù)緊部分是應(yīng)用螺栓載荷的便捷方法。另外，Abaqus/Standard 和Abaqus/Explicit也提供連接器元件技術(shù)。

 

Abaqus 中的墊片元件類型

 

 

 

Abaqus提供兩種主要的墊片元件公式：常規(guī)墊片元件和普通墊片元件。常規(guī)墊片單元每個節(jié)點有 3 個自由度，可以模擬非耦合膜、橫向剪切和全厚度行為，僅普通墊片元件具有一個自由度。它們僅對全厚度行為進(jìn)行建模。僅普通墊片元件在數(shù)值上比常規(guī)墊片元件更具成本效益，但并不常見。

 

常規(guī)墊片元件特性：

l所有行為都可以包括熱膨脹。

l膜和橫向剪切行為是彈性的。

l全厚度行為可以是塑性的并具有永久蠕變變形或遵循受損的彈性響應(yīng)。

 

兩種類型的墊片單元均可用于模擬三維、軸對稱和平面問題。墊片單元可應(yīng)用于靜態(tài)模擬、動態(tài)模擬、頻率模擬或頻率提取，并且它們是為小應(yīng)變和小位移計算而制定的。

 

墊片元件配方

 

 

Abaqus/Standard包含各種單元類型，包括具有兩個、四個和八個節(jié)點的單元。這些元素可用于靜態(tài)、動態(tài)、靜態(tài)擾動、準(zhǔn)靜態(tài)和頻率仿真，滿足不同的工程場景。

 

通常，墊片網(wǎng)格在整個厚度上都有一個墊片元件。此處顯示的墊片網(wǎng)格中的不同顏色代表不同的墊片行為。紅色網(wǎng)格與綠色網(wǎng)格具有不同的墊圈行為。

 

動態(tài)墊片具有由粘彈性特性定義的阻尼。有些墊片元件在其節(jié)點處具有溫度自由度，允許通過厚度方向傳遞熱量。

 

墊片元件專為整體小應(yīng)變和小位移計算而設(shè)計，但也可用于大位移計算。如果墊圈元件經(jīng)歷顯著旋轉(zhuǎn)，則不適合使用，因為局部方向不旋轉(zhuǎn)。墊片元件可以有大的封閉件；如果需要，頂部可以穿過底部。

 

 

 

l區(qū)域單元具有定義墊片頂部和底部表面上的面的節(jié)點。

l法線從底部到頂部并定義厚度方向。

l墊片的厚度是根據(jù)節(jié)點位置計算的，也可以直接在“墊片截面”選項上指定。

l墊片單元的默認(rèn)厚度（局部 1 方向）由 Abaqus 使用節(jié)點坐標(biāo)計算。

l用戶可以使用“墊片截面”選項來覆蓋一組墊片單元的默認(rèn)局部 1 方向。

l可以使用“正?！边x項在節(jié)點基礎(chǔ)上指定局部 1 方向。

l在墊片單元節(jié)點處獲得的厚度方向的方向余弦列在打印輸出(.dat)文件中。

 

墊片元件連接可能與實體元件連接不同。對墊片的節(jié)點進(jìn)行編號至關(guān)重要，因為它定義了墊片的法線方向。如有必要，請使用單元上的實體單元編號參數(shù)來解決此差異。如果網(wǎng)格生成器不支持墊片單元，或者在使用連續(xù)體單元對墊片中的熱傳導(dǎo)進(jìn)行建模的熱應(yīng)力分析中，這會很方便。

 

幸運的是，Abaqus/CAE支持墊片元件。用戶可以制作具有正確厚度方向的墊片網(wǎng)格；但是，在某些情況下，您可能需要重新排列單元定義上的節(jié)點順序才能獲得正確的厚度方向。數(shù)據(jù) (.dat ) 的輸出和Abaqus/Viewer 的輸出將使用正常的墊片元件連接。

 

例子

 

 

 

以下示例展示了墊片元件編號的正確方法。右圖定義的單元順序為 1-2-3-4，僅適用于平面應(yīng)變單元或平面應(yīng)力單元 CPE4 或 CPS4。

 

在墊片元件的情況下，厚度方向必須從底部法蘭延伸到頂部法蘭。因此，交叉連接模式勢在必行。因此，如果您希望使用右圖的編號方法，則必須聲明實體單元編號等于 4。這將告訴 Abaqus 將該單元的第四面（定義為普通單元）視為墊圈的底部。

 

在將墊片集成到計算模型之前驗證墊片的屬性至關(guān)重要，特別是在進(jìn)行復(fù)雜和擴(kuò)展系統(tǒng)的模擬時。

 

墊片元件幾何形狀

考慮下面的示例，使用簡化的網(wǎng)格對復(fù)雜的墊圈進(jìn)行建模。左圖顯示了 AA 部分中復(fù)雜墊片幾何形狀的橫截面，其特征是精心放置的凸塊以引起天花板壓力。然而，中心區(qū)域中的間隙需要顯著壓低凸塊以到達(dá)墊圈主體。

 

 

 

我們的方法包括對底部的橫截面進(jìn)行建模以代表我們的墊片網(wǎng)格。我們在該部分上施加壓力以考慮間隙和凸起，從而確定墊圈閉合所需的力。這是通過在 Abaqus 中定義單元內(nèi)的壓力閉合曲線來實現(xiàn)的，適應(yīng)厚度方向上的復(fù)雜機(jī)械響應(yīng)，包括間隙效應(yīng)。Abaqus 中的壓力閉合定義使我們能夠解釋厚度方向上的復(fù)雜機(jī)械響應(yīng)，包括間隙的影響。

 

由于墊片中間橫截面和凸塊的差異，我們?yōu)槊糠N情況定義了不同的行為。Abaqus/CAE 中的墊片定義是可以實現(xiàn)的，但為了簡單起見，一些細(xì)節(jié)被掩蓋了。Abaqus/CAE 提供了用于墊片定義的全面工具集。

 

此外，3D?EXPERIENCE 平臺支持材料定義應(yīng)用程序中的墊片行為。這種集成增強(qiáng)了墊片建模在更廣泛的計算框架內(nèi)的多功能性。

 

墊片厚度行為

Abaqus 中的墊片行為是使用壓力閉合曲線、材料定義以及損傷和彈塑性行為之間的選擇來定義的。壓力閉合曲線是通過在機(jī)器中測試墊片并提取必要的數(shù)據(jù)來定義行為而獲得的。

Abaqus 提供了用于輸入墊片面積如何變化的選項，特別是對于管線墊片。然后，該數(shù)據(jù)用于定義墊片行為，有兩種基本類型：損壞和彈塑性。損壞類型涉及非線性彈性響應(yīng)，可能包括損壞的影響，而彈塑性類型包括卸載時的塑性或殘余閉合。

 

什么是損害行為？

TYPE=DAMAGE 定義非線性彈性響應(yīng)，其中可能包括損壞的影響。如果卸載曲線不遵循輸入卸載曲線存在問題，則使用 INTERPOLATION=DIRECT。

 

 

例如，如果墊圈表現(xiàn)出意外行為，偏離指定曲線，建議探索這個新選項。

 

由此產(chǎn)生的厚度行為與超彈性中觀察到的受損彈性響應(yīng)非常相似，稱為馬林斯效應(yīng)。將墊片加載到 B 點并隨后卸載時，如果定義了損壞卸載，則響應(yīng)彈性返回到 A 點。重新加載時會遍歷損壞的曲線，并且該過程相應(yīng)地繼續(xù)。

 

針對這種類型的厚度響應(yīng)定義了主加載曲線，并附有一組卸載曲線。當(dāng)從中間壓力發(fā)生卸載時，Abaqus 采用插值法來導(dǎo)出相應(yīng)的卸載行為。

 

 

 

什么是彈塑性行為？

Abaqus中的彈塑性行為在卸載時表現(xiàn)出塑性或殘余閉合，類似于彈塑性材料。該軟件提供了定義屈服點和修改插值的選項，以在模擬中實現(xiàn)精確的墊片行為。

 

默認(rèn)可塑性起始遵循 10% 規(guī)則，允許用戶根據(jù)喜好自定義此標(biāo)準(zhǔn)。選擇“類型等于損壞”通常不會那么麻煩，特別是在墊圈未完全卸載的情況下。

 

Abaqus支持墊片元件的各種材料選項，包括用戶定義的材料，并且能夠直接在厚度行為中指定動態(tài)剛度和阻尼。蠕變選項可作為墊片行為或材料選項的子選項用于蠕變分析。

 

墊片元件輸出變量

分析墊片元件的輸出時，關(guān)鍵參數(shù)包括上限壓力，表示為S11。例如，該名稱適用于 GK3D8CS 等元件。對于管線墊片元件，上限壓力由E11表示。

 

E11表示墊片閉合，以墊片元件特定的長度單位測量。雖然可以從墊片中提取其他變量，但最常檢查的是S11和E11，用于捕獲壓力閉合。

 

對于尋求更多自定義輸出變量的用戶，可以使用用戶輸出變量和子例程 UVARM 創(chuàng)建用戶定義的輸出變量。值得注意的是，最近的 Abaqus 版本支持 LINUX 用戶的 gfortran。

 

墊片元件使用的實用技巧

有效使用墊片元件的實用技巧包括驗證墊片行為和收斂特性。

 

設(shè)置單個墊片元件模型，通過將其向下推、卸載并確認(rèn)壓力閉合行為來仔細(xì)檢查其行為。此預(yù)防措施可防止在運行大型且復(fù)雜的模型后發(fā)現(xiàn)墊片行為的差異。

 

這種方法對于引入 Abaqus 模擬中的任何新功能都是有益的。在將復(fù)雜材料模型、連接器元件行為等納入更廣泛的模擬之前，使用簡化模型驗證其性能至關(guān)重要。

 

對于墊片，涉及整個墊片的全面測試可以驗證間隙是否正確，并確保只有在間隙適當(dāng)閉合時才會產(chǎn)生密封壓力。

 

墊片元件可能會出現(xiàn)技術(shù)問題，特別是在元件不受支撐的情況下。無支撐墊片元件是指墊片的一部分在沒有適當(dāng)支撐的情況下延伸穿過間隙（例如法蘭中的孔）的情況。這種情況可能會導(dǎo)致分析過程中出現(xiàn)問題。

 

為了解決這個問題，墊片部分有一個稱為穩(wěn)定剛度的選項，專門設(shè)計用于管理不受支撐的墊片元件。您可以在數(shù)據(jù)檢查期間通過檢查打印輸出文件中的“無交叉”文本來識別不受支持的墊片單元節(jié)點。

 

應(yīng)用少量的剛度來減輕由初始間隙引起的數(shù)值病態(tài)問題。Abaqus 默認(rèn)使用間隙之外的斜率乘以 0.001 來確定間隙剛度。

 

然而，這可能會導(dǎo)致墊圈體上出現(xiàn)過大的剛度和明顯的頂壓力。為了解決這個問題，拉伸剛度系數(shù)選項（墊片厚度行為的一部分）允許用戶控制并可能減少該系數(shù)，從而確保更準(zhǔn)確的結(jié)果。

 

結(jié)論

由于墊片復(fù)雜的幾何形狀和復(fù)雜的行為，Abaqus/Standard 中的墊片模擬提出了許多挑戰(zhàn)。在有限元分析中使用墊片單元對于準(zhǔn)確捕獲墊片在各種負(fù)載條件下的行為至關(guān)重要。

Abaqus 為墊片分析提供了強(qiáng)大的解決方案，克服了與有限元建模相關(guān)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。工程師可以通過結(jié)合專門的墊片元件和厚度行為定義來實現(xiàn)更高效、更準(zhǔn)確的模擬，從而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計和可靠性。