CN113486471B - 一种弹簧金属c形环的密封特性数值模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，包括以下步骤：S1、建立模拟压缩模型：采用ABAQUS建立弹簧金属C形环三维几何模型和上刚性法兰和下刚性法兰；S2：定义弹簧金属C形环三维几何模型的材料属性；S3、基于结构式和扫掠式的网格划分算法对模拟压缩模型行网格划分，生成网格模型；S4、基于模拟压缩模型中各个部件的相对位置关系和形状施加边界条件；S5、对上刚性法兰施加荷载模拟弹簧金属C形环的压缩回弹过程，导出模拟压缩回弹过程数的据进行计算。通过该分析方法能够建立合理准确的三维弹塑性大变形分析模型，实现弹簧金属C形环的精细化建模与模拟分析，得到准确的压缩回弹特性曲线和密封面接触应力和变形等详细特征。

Description

一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法

技术领域

本发明涉及反应堆结构力学技术领域，具体涉及一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法。

背景技术

压力容器是反应堆一回路冷却剂系统的重要承压边界设备，其密封组件的密封性能关系到反应堆的安全运行。工作状态下，由于介质具有高温、高压和强放射性特点，密封组件一旦发生失效，极易造成核泄漏，带来人员安全和环境污染问题，确保压力容器密封可靠性对于保障反应堆安全运行至关重要。世界范围内核电朝着大容量、高可靠和高安全方向发展，反应堆运行工况越来越苛刻，对于密封性能的要求也越来越高，如何设计出满足密封性能要求的密封组件，保障反应堆长期安全运行，是压力容器设计中的关键技术之一。

压力容器通常采取双道金属密封结构形式以及选用弹簧金属C形密封环，反应堆压力容器密封如图1所示。该型环是一种弹簧赋能型金属密封环，主要由内置螺旋弹簧基体、硬金属合金中间包覆层和软金属外包层三部分组成，如图2所示。当该密封环受到上下法兰压缩时，弹簧基体发生弹性变形，对包覆层产生反弹力，促使软金属外包层发生塑性变形，嵌入到法兰密封面粗糙不平处，从而消除泄漏通道和实现有效密封。此种密封环充分利用弹簧基体和密封层的弹性和塑性协同作用，可以有效保证回弹性和密封性，还能补偿因温度、压力波动引起的法兰变形及密封环松弛的不足。可见，确保密封环的压缩回弹性能是保证密封有效性的关键。

压缩回弹特性是弹簧金属C形环的重要性能指标之一，采用合理分析方法对其进行深入研究，对于压力容器密封组件的设计分析具有重要意义。C形环结构复杂，整体直径较大，试验工装条件要求高，密封试验研究难以准确获得密封区域的变形和应力等细节情况；数值模拟方面，C形环力学分析具有高度非线性，工作条件下，弹簧基体产生大变形，软金属外包层发生塑性变形，各层之间以及与法兰之间存在接触，即同时涉及到材料、几何和接触非线性，C形环的精细化建模与准确模拟分析具有较大难度。

国内外学者在弹簧金属C形环数值模拟方面做了一定的研究，但已有工作中大多引入较多简化处理，如简化为二维轴对称模型、指环模型等，分析结果具有一定的偏差和适用条件的限制，难以准确反映C形环的力学行为和密封特性；另一方面，通过采用简化模型的方法，无法获取密封面接触应力、变形分布情况等详细特征，因而有必要建立合理、精细化的C形环三维弹塑性大变形分析模型，研究密封环的真实非线性力学行为和密封特性，实现对压缩回弹特性的准确模拟研究，这对于确保压力容器密封组件设计的先进性、可靠性和安全性具有重要意义。目前仍缺少一套合理准确的数值模拟分析方法，来解决弹簧金属C形环精细化建模和准确数值模拟分析的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，通过该分析方法能够建立合理准确的三维弹塑性大变形分析模型，实现弹簧金属C形环的精细化建模与模拟分析，得到准确的压缩回弹特性曲线和密封面接触应力和变形等详细特征。

本发明通过下述技术方案实现：

一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，包括以下步骤：

S1、建立模拟压缩模型：采用ABAQUS建立弹簧金属C形环三维几何模型和上刚性法兰和下刚性法兰，其中，对弹簧金属C形环三维几何模型截取几匝弹簧对应的密封环环段进行精细化建模；所述弹簧金属C形环三维几何模型由内到外依次包括圆柱形螺旋弹簧基体、硬金属合金包覆层和软金属外包层；所述上刚性法兰和下刚性法兰分别对称设置在软金属外包层的上端和下端；

S2：定义弹簧金属C形环三维几何模型的材料属性，所述材料属性包括弹性段数据和塑性段数据；

S3、基于结构式和扫掠式的网格划分算法对模拟压缩模型行网格划分，生成网格模型；

S4、基于模拟压缩模型中各个部件的相对位置关系和形状施加边界条件；

S5、对上刚性法兰施加荷载模拟弹簧金属C形环的压缩回弹过程，导出模拟压缩回弹过程数的据进行计算。

本发明建立了弹簧金属C形环的精细化分析模型，并且基于C形环的环向结构特性，截取多匝弹簧对应的密封环环段进行精细化建模，提高了弹簧金属C形环三维几何模型模拟真实C形环的精准度。

本发明通过合理选取和定义C形环各部件的力学本构和材料属性，准确地描述了有限元模型中各部件材料的固有力学行为特性，进一步提高了弹簧金属C形环三维几何模型模拟真实C形环的精准度。

发明充分利用先进网格划分算法、采用高精度结构单元、关键部位网格加密等方法对有限元模型进行网格划分，能够更准确地描述结构的变形和位移、应力和应变、接触压力等，进一步提高了有限元计算求解的效率和计算结果的精度。

综上，本发明通过建立的模拟压缩模型，能够得到准确的压缩回弹特性曲线、密封面接触应力、应变等详细特征，可以实现C形环的精细化建模与模拟分析。

进一步地，步骤S1中，模拟压缩模型的创建过程为：

在ABAQUS中，分别创建圆柱形螺旋弹簧基体模块、硬金属合金包覆层模块、软金属外包层模块、上刚性法兰模块和下刚性法兰模块，然后将圆柱形螺旋弹簧基体模块、硬金属合金包覆层模块、软金属外包层模块、上刚性法兰模块和下刚性法兰模块进行装配获得模拟压缩模型。

进一步地，步骤S2中，弹性段包括杨氏模量和泊松比，塑性段包括屈服应力和塑性应变。

进一步地，步骤S2中，软金属外包层的材料定义为弹塑性本构，并设定弹塑性本构的相关参数作为材料属性。

进一步地，步骤S2中，硬金属合金包覆层的材料定义为双线性弹塑性本构，在ABAQUS中输入基于试验所得数据获得的真实应力应变关系曲线作为材料属性。

进一步地，步骤S2中，圆柱形螺旋弹簧基体的材料定义为双线性弹塑性本构，在ABAQUS中输入材料的完整应力应变数据作为材料属性。

进一步地，步骤S3中，网格划分过程中，对于结构规则的部件和区域进行六面体网格划分，不规则的部件和区域进行扫掠式格划分。

进一步地，步骤S3中，对硬金属合金包覆层、软金属外包层、上刚性法兰和下刚性法兰沿着C形环轴向进行扫掠网格划分；对圆柱形螺旋弹簧基体沿着弹簧缠绕方向进行扫掠网格划分。

进一步地，步骤S3中，软金属外包层采用细网格划分；上刚性法兰和下刚性法兰采用粗网格划分。

进一步地，步骤S4中，施加边界条件为：

将上刚性法兰与软金属外包层之间、硬金属合金包覆层与圆柱形螺旋弹簧基体之间和软金属外包层与下刚性法兰之间定义为接触，且接触属性定义法向为硬接触、无穿透，切向定义为库伦摩擦，并给定摩擦系数；将软金属外包层与硬金属合金包覆层之间定义为绑定约束，并选用面-面离散化方法处理；将圆柱形螺旋弹簧基体、硬金属合金包覆层、软金属外包层、上刚性法兰和下刚性法兰的端面定义为对称约；将下刚性法兰的底面定义为全约束；将上刚性法兰的顶面定义只有法向位移自由度，并通过定义位移历程用以模拟压缩回弹过程。

进一步地，步骤S5中，模拟压缩回弹过程为：

第一步，在上刚性法兰顶面施加一个较小位移，使得各部件间的接触关系成功建立；

第二步；在上刚性法兰顶面施加法向真实的压缩位移，模拟密封环的压缩过程；

第三步，撤去上刚性法兰顶面的位移约束，模拟密封环回弹过程。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、与现有基于C形环简化模型的模拟分析方法相比，通过本发明所提供的方法，可建立合理精细化的C形环分析模型，得到更准确的压缩回弹特性曲线和详细的密封面接触应力、应变特征，对压力容器用弹簧金属C形环的性能分析与优化改进具有重要指导意义。

2、本发明的方法能为反应堆压力容器用弹簧金属C形环的性能分析和优化改进提供重要技术支撑。

3、本发明的模拟方法通用性强、易于掌握和实施。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为反应堆压力容器密封的结构示意图；

图2为弹簧金属C形环的结构示意图；

图3为有限元建模各阶段示意图：(a)几何模型，(b)网格模型，(c)边界条件；

图4为C形环各阶段变形情况示意图：(a)初始状态，(b)压缩状态，(c)回弹状态；

图5为C形环密封性能的数值模拟分析流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图5所示，一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，包括以下步骤：

S1、建立模拟压缩模型：

打开ABAQUS软件，进入Part功能模块，建立弹簧金属C形环几何模型。内置弹簧基体为螺旋式结构，沿弹簧轴向不具有对称特性，无法进行简化，采取三维建模方式。首先，建立内置螺旋弹簧基体，选择三维3D，类型选择变形体，特征选择实体和旋转，进入草图界面，定义圆心和半径，绘制弹簧基体的截面形状，定义弹簧总旋转角和节距参数，共建立六匝弹簧，完成内置螺旋弹簧基体的创建。然后，建立硬金属合金中间包覆层，选择三维3D，类型选择变形体，特征选择实体和拉伸，进入草图界面，定义圆心、内外半径和开口处尺寸，绘制中间包覆层截面形状，定义拉伸距离后点击OK，完成中间包覆层的创建。接着，采用相同的办法和步骤，依次完成软金属外包层和上下法兰的创建。最后，进入装配模块，选取所有部件组成装配体，建立的C形环三维几何模型如图3中的(a)所示；

S2：定义弹簧金属C形环三维几何模型的材料属性，所述材料属性包括弹性段数据和塑性段数据：

其中，软金属外包层材料为Ag(纯银)，屈服极限很低，材料使用理想弹塑性本构，设定弹性模量63.1GPa、泊松比0.3、屈服极限80MPa；硬金属合金包覆层材料为Inconel690合金，在压缩回弹过程中起重要的支撑作用，材料定义为双线性弹塑性本构，采用试验所得数据，在ABAQUS中输入真实应力应变关系曲线，设定弹性模量115GPa、泊松比0.3、屈服极限250MPa，塑性段中685MPa下的应变为0.216；圆柱形螺旋弹簧基体材料为InconelX750合金，的变形主要为弹性变形，并承担主要的回弹力，材料采用双线性弹塑性本构，基体牵涉到大变形，定义材料属性时需输入完整的应力应变数据，设定弹性模量182GPa、泊松比0.3、屈服极限1303MPa，塑性段中1427MPa下的应变为0.0236；

S3、基于结构式和扫掠式的网格划分算法对模拟压缩模型行网格划分，生成网格模型；

网格划分过程中，充分利用结构式和扫掠式的网格划分算法，对结构规则的部件和区域进行六面体网格划分，可有效提高计算精度和效率。针对此弹塑性问题，选用六面体一阶单元C3D8R，对硬金属合金包覆层、软金属外包层、上刚性法兰和下刚性法兰沿着C形环轴向进行扫掠网格划分，对圆柱形螺旋弹簧基体沿着弹簧缠绕方向进行扫掠网格划分。在网格密度方面，对重点关注区域如软金属外包层使用细网格，上刚性法兰和下刚性法兰刚性相对很大，使用粗网格即可，最终得到网格模型如图3中的(b)所示；

S4、基于模拟压缩模型中各个部件的相对位置关系和形状施加边界条件如图3中的(c)所示；

将上刚性法兰与软金属外包层之间、硬金属合金包覆层与圆柱形螺旋弹簧基体之间和软金属外包层与下刚性法兰之间定义为接触，且接触属性定义法向为硬接触、无穿透，切向定义为库伦摩擦，并给定摩擦系数；将软金属外包层与硬金属合金包覆层之间定义为绑定约束，并选用面-面离散化方法处理；将圆柱形螺旋弹簧基体、硬金属合金包覆层、软金属外包层、上刚性法兰和下刚性法兰的端面定义为对称约；将下刚性法兰的底面定义为全约束；将上刚性法兰的顶面定义只有法向位移自由度，并通过定义位移历程用以模拟压缩回弹过程

S5、对上刚性法兰施加荷载模拟弹簧金属C形环的压缩回弹过程，生成inp输入文件，提交ABAQUS内核进行计算求解，模拟压缩回弹过程为：

第一步，在上刚性法兰顶面施加一个较小位移，使得各部件间的接触关系成功建立；

第二步；在上刚性法兰顶面施加法向真实的压缩位移，模拟密封环的压缩过程；

第三步，撤去上刚性法兰顶面的位移约束，模拟密封环回弹过程；

模拟压缩回弹过程如图4所示。

本实施例建立了弹簧金属C形环的精细化分析模型；基于C形环的环向结构特性，截取六匝弹簧对应的密封环环段进行精细化建模，提高了建模的精准度，为后续的精准模拟压缩回弹打下基础。

本实施例合理选取和定义C形环各部件的力学本构和材料属性。软金属外包层的屈服极限较低，使用理想弹塑性本构。硬金属合金中间包覆层在压缩回弹过程中起重要支承作用，螺旋弹簧变形提供主要回弹力，两者皆采用双线性弹塑性本构。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立模拟压缩模型：采用ABAQUS建立弹簧金属C形环三维几何模型和上刚性法兰和下刚性法兰，其中，对弹簧金属C形环三维几何模型截取几匝弹簧对应的密封环环段进行精细化建模；所述弹簧金属C形环三维几何模型由内到外依次包括圆柱形螺旋弹簧基体、硬金属合金包覆层和软金属外包层；所述上刚性法兰和下刚性法兰分别对称设置在软金属外包层的上端和下端；

S2：定义弹簧金属C形环三维几何模型的材料属性，所述材料属性包括弹性段数据和塑性段数据；

S3、基于结构式和扫掠式的网格划分算法对模拟压缩模型行网格划分，生成网格模型；

S4、基于模拟压缩模型中各个部件的相对位置关系和形状施加边界条件；

S5、对上刚性法兰施加荷载模拟弹簧金属C形环的压缩回弹过程，导出模拟压缩回弹过程数据进行计算；

步骤S4中，施加边界条件为：

将上刚性法兰与软金属外包层之间、硬金属合金包覆层与圆柱形螺旋弹簧基体之间和软金属外包层与下刚性法兰之间定义为接触，且接触属性定义法向为硬接触、无穿透，切向定义为库伦摩擦，并给定摩擦系数；将软金属外包层与硬金属合金包覆层之间定义为绑定约束，并选用面-面离散化方法处理；将圆柱形螺旋弹簧基体、硬金属合金包覆层、软金属外包层、上刚性法兰和下刚性法兰的端面定义为对称约束；将下刚性法兰的底面定义为全约束；将上刚性法兰的顶面定义只有法向位移自由度，并通过定义位移历程用以模拟压缩回弹过程。

2.根据权利要求1所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S2中，弹性段包括杨氏模量和泊松比，塑性段包括屈服应力和塑性应变。

3.根据权利要求2所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S2中，软金属外包层的材料定义为弹塑性本构，并设定弹塑性本构的相关参数作为材料属性。

4.根据权利要求2所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S2中，硬金属合金包覆层的材料定义为双线性弹塑性本构，在ABAQUS中输入基于试验所得数据获得的真实应力应变关系曲线作为材料属性。

5.根据权利要求2所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S2中，圆柱形螺旋弹簧基体的材料定义为双线性弹塑性本构，在ABAQUS中输入材料的完整应力应变数据作为材料属性。

6.根据权利要求1所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S3中，网格划分过程中，对于结构规则的部件和区域进行六面体网格划分，不规则的部件和区域进行扫掠式格划分。

7.根据权利要求6所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S3中，对硬金属合金包覆层、软金属外包层、上刚性法兰和下刚性法兰沿着C形环轴向进行扫掠网格划分；对圆柱形螺旋弹簧基体沿着弹簧缠绕方向进行扫掠网格划分。

8.根据权利要求6所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S3中，软金属外包层采用细网格划分；上刚性法兰和下刚性法兰采用粗网格划分。

9.根据权利要求1所述的一种弹簧金属C形环的密封特性数值模拟分析方法，其特征在于，步骤S5中，模拟压缩回弹过程为：

第一步，在上刚性法兰顶面施加一个较小位移，使得各部件间的接触关系成功建立；

第二步；在上刚性法兰顶面施加法向真实的压缩位移，模拟密封环的压缩过程；

第三步，撤去上刚性法兰顶面的位移约束，模拟密封环回弹过程。

Images