CN115345042A - 基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，采用I、II级模型计算密封环自身的压缩‑回弹、接触性能，采用III、IV级模型计算密封环‑法兰‑紧固件结构在预紧及操作工况中的变形和受力状态。基于假设密封环在不同加载条件下，只要经历的压缩‑回弹历程相同其接触状态即是相同的，提出了一种能够考虑密封环镀层性能准确计算密封环接触压力和接触宽度的方法，从压缩‑回弹响应、接触状态两套指标全面评判密封性；通过三个由简入繁、由粗略至详细的分析迭代流程对结构的连接性能进行评价和优化，减少了迭代次数；采用“二维分析迭代+三维分析验证”的策略，提高了评价和优化效率。

Description

基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法。

背景技术

密封环-法兰-紧固件作为可拆卸型连接结构，广泛用于带压管路系统，借助连接螺栓通过法兰压紧面压紧密封环，使密封环发生弹性或塑性变形以填塞法兰压紧面间的缝隙或缺陷到达密封的目的。其完整性、密封可靠性对带压管路系统的安全运行至关重要。法兰连接结构通常受到预紧装配载荷以及操作工况下温度、介质压力、管道附加轴向力和弯矩等载荷共同作用，密封泄漏、连接刚度不足、局部应力集中导致裂纹萌生以及螺栓强度不足是法兰连接结构的常见失效形式。其中，密封泄露出现最为频繁，密封性主要由密封环的压缩-回弹特性以及密封环与法兰的接触特性(接触压力和宽度)决定，前者取决于密封环的基体(高强钢或高温合金)的应力-应变行为，后者强烈地依赖于密封环镀层金属(通常为铜、银等软金属)的力学性能及厚度，采用有限元分析时，模型中必须包含镀层；然而镀层厚度通常为几十微米，与法兰结构存在显著的尺度差异，无法在一个模型中同时表征出密封环镀层性能和密封-法兰-紧固件连接结构的边界载荷属性。此外，在方案设计阶段对密封-法兰-紧固件系统进行连接性能分析时，除密封性之外，还需要考虑到密封环、法兰以及紧固件刚度强度问题，通常需要多轮次迭代分析才能得到满足要求的结构设计方案；采用有限元分析时，存在二维轴对称模型不能反映预紧过程真实载荷历程、不能模拟周向预紧载荷分布、不能评估紧固件刚度强度，而三维周期性对称模型计算规模大(由于结构接触关系复杂、密封环与法兰之间存在尺度差异)，迭代分析代价高的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，建立四级有限元模型，通过三个由简入繁、由粗略至详细的分析迭代流程对结构的连接性能进行分析评价，从而克服镀层厚度与法兰结构之间由尺度差异带来的仿真计算困难，并且提高优化迭代效率。

本发明的技术方案是：一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，包括：

1)采用二维模型，计算金属密封法兰结构预紧及工作状态下的压缩-回弹响应，对密封性进行初步判断，并优化密封环结构、法兰结构或调整预紧力，得到压缩量、张开量均取值合理的结构设计；当压缩-回弹响应满足密封性要求，同时密封环、法兰满足静强度要求时，进入步骤2)；

2)采用二维模型，计算金属密封法兰结构预紧及工作状态下的接触响应，对密封性进行迭代，调整密封环镀层材料或厚度、增加法兰刚度或预紧力，得到预紧状态给出压缩量和工作状态给出的张开量作用下密封环与法兰接触应力、接触宽度均取值合理的结构设计；当接触响应满足密封性要求后，进入步骤3)；

3)采用三维模型，全面计算密封-法兰-紧固件的在预紧及工作状态下的力学响应，验证二维模型计算得到的预紧状态下密封环压缩量、工作状态下密封通道张开量与三维模型计算结果的一致性，判断法兰、紧固件是否满足静强度要求，如有不一致或不满足，则进行调整优化，直至得到密封性、强度和刚度均满足要求的结构设计。

所述步骤1)的具体过程为：

步骤101，建立I级有限元模型，提取密封环截面，不考虑软金属镀层，建立密封环被一对刚性面压缩的轴对称压缩-回弹性能分析模型；

步骤102，开展I级分析，对轴对称压缩-回弹性能分析模型中的刚性面施加压缩量，计算密封环在加载和卸载过程中的载荷—位移曲线，计算密封环的回弹量；

步骤103，改变压缩量，重复步骤102的流程N次，计算得到以不同压缩量加载、卸载时密封环的回弹量，将计算结果绘制成密封环的回弹量—压缩量曲线；所述N取值为4～6；

步骤104，建立III级有限元模型，提取密封环、法兰截面，忽略法兰减重孔、螺栓孔，紧固件的预紧作用采用一对大小相等的分布力模拟，不考虑软金属镀层，建立二维轴对称密封-法兰模型；

步骤105，采用III级有限元模型开展III级分析，在给定预紧和操作载荷作用下，计算密封环及法兰的应力、应变分布，预紧状态下密封环的压缩量，工作状态下密封通道的张开量；

步骤106，依据步骤103得到的密封环回弹量—压缩量曲线，判断步骤105得到的预紧状态下密封环的压缩量是否满足密封性要求；结合步骤103得到的密封环回弹量—压缩量曲线和步骤105得到的工作状态下密封通道张开量，判断法兰刚度是否满足密封性要求；根据步骤105得到的密封环和法兰的应力、应变分布，判断密封环、法兰是否满足静强度要求；

步骤107，根据步骤106的分析结论，如果三者中存在任一不满足要求的情况，则进行优化调整；

步骤108，直至均满足要求，结束初步判断流程。

所述步骤107中，进行优化调整，具体包括：

A1)调整密封环结构，并返回步骤101；

B1)调整法兰结构，并返回步骤104；

C1)调整预紧力，并返回步骤105。

所述步骤2)的具体过程为：

步骤201，建立II级有限元模型，提取密封环截面，建出软金属镀层，建立密封环被一对刚性面压缩的轴对称接触性能分析模型；

步骤202，开展II级分析，对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加压缩量，计算密封环在加载过程中接触压力沿密封唇的分布，绘制接触压力均值—压缩量曲线、接触宽度—压缩量曲线；

步骤203，结合步骤202得到的不同压缩量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值—压缩量曲线、接触宽度—压缩量曲线和初步判断环节得到的预紧状态下密封环的压缩量，判断当前压缩量及接触压力分布是否满足密封性要求；如果不满足，则进行优化；

步骤204，直至步骤203满足要求，此时已得到满足密封性要求的压缩量，开展II级分析，对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加当前满足密封性要求的压缩量，计算密封环在卸载过程中接触压力沿密封唇的分布，绘制接触压力均值—张开量曲线、接触宽度—张开量曲线；

步骤205，由步骤204得到的不同张开量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值—张开量曲线、接触宽度—张开量曲线判断初步判断环节得到的工作状态下密封通道张开量是否满足密封性要求；如果不满足，则进行优化；

步骤206，直至步骤205满足要求，此时已得到密封性、法兰刚度和密封环刚度、强度满足要求的结构设计，结束快速迭代流程。

所述对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加压缩量不小于初步判断环节确定的压缩量的1.2倍。

所述步骤203中，如果不满足，则进行优化，具体包括：

A2)优化法兰结构以增加压缩量，返回步骤104；

B2)调整预紧力以增加压缩量，返回步骤105；

C2)更改密封环镀层材料、厚度，返回步骤201。

所述步骤205中，如果不满足，则进行优化，具体包括：

A3)增加法兰刚度，返回步骤104；

B3)增加预紧力，返回步骤105；

C3)更改密封环镀层材料、厚度，返回步骤201。

所述步骤3)中如有不一致或不满足，则进行调整优化，具体为更改螺栓规格、增加螺栓数量或优化法兰结构。

所述步骤3)的具体过程为：

步骤301，建立IV级有限元模型，在法兰和密封环中分别切取包含一个螺栓的扇区，建立包含法兰、密封环、紧固件的三维周期性对称模型；

步骤302，开展IV级有限元分析，在给定预紧和工作载荷作用下，计算预紧状态下密封环压缩量、密封环和法兰应力、应变；工作状态下密封通道张开量，密封环及法兰应力、应变，紧固件轴向载荷、应力、应变；

步骤303，验证步骤302计算得到的预紧状态下密封环压缩量、工作状态下密封通道张开量与快速迭代流程结束时得到的压缩量、张开量是否一致；

步骤304，如果不一致，返回步骤104，修正II级模型，使采用II级模型计算得到的压缩量、张开量相对于采用IV级模型的计算结果，误差小于5％，并自步骤104继续评价流程；

步骤305，根据步骤302得到的法兰的应力、应变分布，紧固件轴向载荷、应力、应变，判断法兰、紧固件是否满足静强度要求；如果法兰、紧固件不满足静强度要求，则进行优化；直至法兰、紧固件满足静强度要求，此时得到密封性、强度和刚度均满足要求的密封环-法兰-紧固件连接结构。

所述步骤305中，进行优化，具体包括：

A4)更改螺栓规格，返回步骤301；

B4)增加螺栓数量，返回步骤301；

B4)优化法兰结构，返回步骤301。

本发明的有益效果是：本发明采用低级模型(I、II级)获取密封环自身的压缩-回弹、接触性能，在有限元模型中建出软金属镀层，准确描述密封环力学性能和厚度对接触特性的影响；用高级模型(III、IV级)获取密封环-法兰-紧固件结构在预紧及操作工况中的变形和受力状态。基于假设密封环在不同加载条件下(被刚性面压缩或被法兰压缩)，只要经历的压缩-回弹(张开)历程相同其接触状态即是相同的，提出了一种能够考虑镀层性能准确计算密性环接触压力和接触宽度的方法，从而由压缩-回弹响应、接触状态两套指标全面评判密封性。通过三个由简入繁、由粗略至详细的分析迭代流程对结构的连接性能进行优化分析，分析过程中采用了“压缩-回弹性能→接触性能→强度”评判顺序，尽可能减少迭代次数；平衡二维轴对称模型和三维周期性对称模型的优、缺点，采用“二维分析迭代+三维分析验证”的策略，以提高优化分析效率。

附图说明

图1为初步判断流程图示。

图2为快速迭代流程图示。

具体实施方式

首先执行初步判断流程，如附图1所示，包含步骤101～110：

(1)步骤101，建立I级有限元模型，提取密封环截面，不考虑软金属镀层，建立密封环被一对刚性面压缩的轴对称压缩-回弹性能分析模型；

(2)步骤102，开展I级分析，对轴对称压缩-回弹性能分析模型中的刚性面施加压缩量，计算密封环在加载和卸载过程中的载荷—位移曲线，计算密封环的回弹量；

(3)步骤103，改变压缩量，重复步骤102工作4～6次，计算得到以不同压缩量加载、卸载时密封环的回弹量，将计算结果绘制成密封环的回弹量—压缩量曲线；

(4)步骤104，建立III级有限元模型，提取密封环、法兰截面，忽略法兰减重孔、螺栓孔，紧固件的预紧作用采用一对大小相等的分布力模拟，不考虑软金属镀层，建立二维轴对称密封-法兰模型；

(5)步骤105，采用III级有限元模型开展III级分析，在给定预紧和操作载荷作用下，计算密封环及法兰的应力、应变分布，预紧状态下密封环的压缩量，工作状态下密封通道的张开量；

(6)步骤106，依据步骤103得到的密封环回弹量—压缩量曲线，判断步骤105得到的预紧状态下密封环的压缩量是否满足密封性要求；

(7)步骤107，结合步骤103得到的密封环回弹量—压缩量曲线和步骤105得到的工作状态下密封通道张开量，判断法兰刚度是否满足密封性要求；

(8)步骤108，根据步骤105得到的密封环和法兰的应力、应变分布，判断密封环、法兰是否满足静强度要求；

(9)步骤109，根据步骤106～108的分析结论，如果三者中存在任一不满足要求的情况，则进行优化，具体包括：

a)优化密封环结构，返回步骤101；

b)优化法兰结构，返回步骤104；

c)调整预紧力，返回步骤105；

(10)步骤110，直至步骤106～108分析结论均满足要求，结束初步判断流程，进入快速迭代流程。

其次执行快速迭代流程，包含步骤201～206：

(11)步骤201，建立II级有限元模型，提取密封环截面，建出软金属镀层，建立密封环被一对刚性面压缩的轴对称接触性能分析模型；

(12)步骤202，开展II级分析，对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加压缩量(不小于初步判断环节确定的压缩量的1.2倍)，计算密封环在加载过程中接触压力沿密封唇的分布，绘制接触压力均值—压缩量曲线、接触宽度—压缩量曲线；

(13)步骤203，结合步骤202得到的不同压缩量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值—压缩量曲线、接触宽度—压缩量曲线和初步判断环节得到的预紧状态下密封环的压缩量，判断当前压缩量及接触压力分布是否满足密封性要求；如果不满足，则进行优化，具体包括：

a)优化法兰结构以增加压缩量，返回步骤104；

b)调整预紧力以增加压缩量，返回步骤105；

c)更改密封环镀层材料、厚度，返回步骤201；

(14)步骤204，直至步骤203分析结论满足要求，此时已得到满足密封性要求的压缩量，开展II级分析，对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加当前满足密封性要求的压缩量，计算密封环在卸载过程中接触压力沿密封唇的分布，绘制接触压力均值—张开量曲线、接触宽度—张开量曲线；

(15)步骤205，由步骤204得到的不同张开量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值—张开量曲线、接触宽度—张开量曲线判断初步判断环节得到的工作状态下密封通道张开量是否满足密封性要求；如果不满足，则进行优化，具体包括：

a)增加法兰刚度，返回步骤104；

b)增加预紧力，返回步骤105；

c)更改密封环镀层材料、厚度，返回步骤201；

(16)步骤206，直至步骤205分析结论满足要求，此时已得到密封性、法兰刚度和密封环刚度、强度满足要求的结构设计，结束快速迭代流程，进入详细评估流程。

最后执行详细评估流程，包含步骤301～307：

(17)步骤301，建立IV级有限元模型，在法兰和密封环中分别切取包含一个螺栓的扇区，建立包含法兰、密封环、紧固件的三维周期性对称模型；

(18)步骤302，开展IV级有限元分析，在给定预紧和工作载荷作用下，计算预紧状态下密封环压缩量、密封环和法兰应力、应变；工作状态下密封通道张开量，密封环及法兰应力、应变，紧固件轴向载荷、应力、应变；

(19)步骤303，验证步骤302计算得到的预紧状态下密封环压缩量、工作状态下密封通道张开量与快速迭代流程结束时得到的压缩量、张开量是否一致(相对误差小于5％)；

(20)步骤304，返回步骤104，修正II级模型，使采用II级模型计算得到的压缩量、张开量相对于采用IV级模型的计算结果，误差小于5％，并自步骤104继续评价流程；

(21)步骤305，根据步骤302得到的法兰的应力、应变分布，紧固件轴向载荷、应力、应变，判断法兰、紧固件是否满足静强度要求；

(22)步骤306，如果法兰、紧固件不满足静强度要求，则进行优化，具体包括：

a)更改螺栓规格，返回步骤301；

b)增加螺栓数量，返回步骤301；

b)优化法兰结构，返回步骤301；

(23)步骤307，直至法兰、紧固件是否满足静强度要求，此时得到了密封性、强度和刚度均满足要求的密封环-法兰-紧固件连接结构。

(1)基于分级模型的金属密封法兰连接性能优化分析方法，建立如下四级有限元分析模型：

I级模型：轴对称压缩-回弹性能分析模型(不考虑镀层，密封环被一对刚性面压缩)；

II级模型：轴对称接触性能分析模型(考虑镀层，密封环被一对刚性面压缩)；

III级模型：二维轴对称密封环-法兰模型(模型包含无镀层密封环和法兰)；

IV级模型：三维周期性对称密封环-法兰-紧固件模型(模型包含无镀层密封环、法兰和紧固件)。

(2)采用上述的四级有限元模型，分别开展如下四级数值仿真分析，其中，I、II、III级分析计算时间为分钟级别，IV级分析计算时间为十数小时级别。

I级分析：采用I级模型，开展密封环压缩-回弹特性分析计算密封环在不同压缩量下的载荷-位移曲线、密封环回弹量-压缩量曲线；

II级分析：采用II级模型，开展密封环接触特性分析，计算不同压缩量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值-压缩量曲线、接触宽度-压缩量曲线；计算不同张开量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值-张开量曲线、接触宽度-张开量曲线；

III级分析：采用III级模型，开展密封-法兰接头力学性能快速分析，计算给定预紧状态下密封环压缩量，密封环和法兰应力、应变；工作状态下密封通道张开量，密封环和法兰应力、应变；

IV级分析：采用IV级模型，开展密封-法兰-紧固件接头力学性能详细分析，计算给定预紧状态下密封环压缩量，密封环和法兰应力、应变；工作状态下密封通道张开量，密封环和法兰应力、应变，紧固件轴向载荷、应力、应变；

(3)采用三个由简入繁、由粗略至详细的分析迭代流程，显著提高结构设计过程中密封-法兰-螺栓接头连接性能的改进效率。

密封-法兰-螺栓接头的失效形式多为密封泄漏，少有强度不足，同时考虑到接触比压和接触宽度需要靠一定的剩余压缩量(预紧状态压缩量-工作状态张开量)来保证，因而制定了“压缩-回弹性能→接触性能→强度”评判顺序，尽可能减少迭代次数。迭代分析过程中，尽可能采用二维轴对称模型，得到基本满足要求的密封-法兰接头结构后，再采用更为准确、分析内容更为详细的三维周期性模型进行验证和补充校核。

①初步判断：由I、III级分析结果初步判断压缩量、张开量、密封强度是否合理；如不合理，优化密封环、法兰结构或调整预紧力，重新开展I、III分析，直至对照I级分析给出压缩-回弹特性，III级分析给出的压缩量和张开量处于合理的范围，密封满足静强度要求。

②快速迭代：由II、III级分析结果判断密封性是否满足要求；如不满足，优化密封环镀层属性、法兰结构或调整预紧力，依据更改内容，重新开展I、II或III级分析，直至：a)密封环-法兰结构的密封性满足要求；b)法兰刚度满足要求。

经过快速迭代流程已经得到了密封性、法兰刚度和密封环刚度、强度满足要求的结构设计，但是III级模型中不包含紧固件，用一对大小相等的力模拟预紧过程，不能反映从预紧到工作状态紧固件作用在上、下法兰压紧力的变化，以及密封环-法兰结构沿环向压缩量、张开量、应力、应变等的差异(当螺栓沿环向分布足够密时，此差异很小)，此外，(由减重孔引起的)法兰沿环向刚度差异以及紧固件自身在工作状态下的强度都需要采用三维模型的分析结果加以考虑。

③详细评估：由II、IV级分析结果对密封性做出最终评估，由IV级分析结果对法兰强度、紧固件强度做出评估。

(4)采用分级模型，在模型中建出软金属镀层，考虑镀层力学性能及厚度的影响，保证密封-法兰接触性能的计算结果的准确性。

密封环的接触压力和宽度，强烈地依赖于镀层金属(通常为铜、银等软金属)的力学性能及厚度，密封环接触性能分析模型中必须包含镀层；然而镀层厚度通常为几十微米，与法兰结构存在显著的尺度差异，无法在一个模型中同时表征出密封环镀层性能和密封-法兰-紧固件连接结构的边界载荷属性。因而采用一组刚性面压缩含镀层的二维轴对称密封环(II级模型)，获取不同压缩量和张开量下，密封环的接触压力及接触宽度，即密封环接触特性曲线；再由密封法兰接头模型(III、IV级模型)计算给定预紧状态及操作工况下，密封环的压缩量和张开量；从而准确地给出密封环在给定状态下的接触状态，从而对密封性做出评估。这里假设，密封环在不同加载条件下(被刚性面压缩或被法兰压缩)，只要经历的压缩-回弹(张开)历程相同其接触状态即是相同的。

Claims (10)

1.一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于包括：

1)采用二维模型，计算金属密封法兰结构预紧及工作状态下的压缩-回弹响应，对密封性进行初步判断，并优化密封环结构、法兰结构或调整预紧力，得到压缩量、张开量均符合要求的结构设计；当压缩-回弹响应满足密封性要求，同时密封环、法兰满足静强度要求时，进入步骤2)；

2)采用二维模型，计算金属密封法兰结构预紧及工作状态下的接触响应，对密封性进行迭代，调整密封环镀层材料或厚度，增加法兰刚度或预紧力，得到预紧状态给出压缩量和工作状态给出的张开量作用下密封环与法兰接触应力、接触宽度均符合要求的结构设计；当接触响应满足密封性要求后，进入步骤3)；

3)采用三维模型，全面计算密封-法兰-紧固件的在预紧及工作状态下的力学响应，验证二维模型计算得到的预紧状态下密封环压缩量、工作状态下密封通道张开量与三维模型计算结果的一致性，判断法兰、紧固件是否满足静强度要求，如有不一致或不满足，则进行调整优化，直至得到密封性、强度和刚度均符合要求的结构设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤1)的具体过程为：

步骤101，建立I级有限元模型，提取密封环截面，不考虑软金属镀层，建立密封环被一对刚性面压缩的轴对称压缩-回弹性能分析模型；

步骤102，开展I级分析，对轴对称压缩-回弹性能分析模型中的刚性面施加压缩量，计算密封环在加载和卸载过程中的载荷—位移曲线，计算密封环的回弹量；

步骤103，改变压缩量，重复步骤102的流程N次，计算得到以不同压缩量加载、卸载时密封环的回弹量，将计算结果绘制成密封环的回弹量—压缩量曲线；所述N取值为4～6；

步骤104，建立III级有限元模型，提取密封环、法兰截面，忽略法兰减重孔、螺栓孔，紧固件的预紧作用采用一对大小相等的分布力模拟，不考虑软金属镀层，建立二维轴对称密封-法兰模型；

步骤105，采用III级有限元模型开展III级分析，在给定预紧和操作载荷作用下，计算密封环及法兰的应力、应变分布，预紧状态下密封环的压缩量，工作状态下密封通道的张开量；

步骤106，依据步骤103得到的密封环回弹量—压缩量曲线，判断步骤105得到的预紧状态下密封环的压缩量是否满足密封性要求；结合步骤103得到的密封环回弹量—压缩量曲线和步骤105得到的工作状态下密封通道张开量，判断法兰刚度是否满足密封性要求；根据步骤105得到的密封环和法兰的应力、应变分布，判断密封环、法兰是否满足静强度要求；

步骤107，根据步骤106的分析结论，如果三者中存在任一不满足要求的情况，则进行优化调整；

步骤108，直至均满足要求，结束初步判断流程。

3.根据权利要求2所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤107中，进行优化调整，具体包括：

调整密封环结构，并返回步骤101；

或调整法兰结构，并返回步骤104；

或调整预紧力，并返回步骤105。

4.根据权利要求2所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤2)的具体过程为：

步骤201，建立II级有限元模型，提取密封环截面，建出软金属镀层，建立密封环被一对刚性面压缩的轴对称接触性能分析模型；

步骤202，开展II级分析，对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加压缩量，计算密封环在加载过程中接触压力沿密封唇的分布，绘制接触压力均值—压缩量曲线、接触宽度—压缩量曲线；

步骤203，结合步骤202得到的不同压缩量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值—压缩量曲线、接触宽度—压缩量曲线和初步判断环节得到的预紧状态下密封环的压缩量，判断当前压缩量及接触压力分布是否满足密封性要求；如果不满足，则进行优化；

步骤204，直至步骤203满足要求，此时已得到满足密封性要求的压缩量，开展II级分析，对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加当前满足密封性要求的压缩量，计算密封环在卸载过程中接触压力沿密封唇的分布，绘制接触压力均值—张开量曲线、接触宽度—张开量曲线；

步骤205，由步骤204得到的不同张开量下接触压力沿密封唇的分布、接触压力均值—张开量曲线、接触宽度—张开量曲线判断初步判断环节得到的工作状态下密封通道张开量是否满足密封性要求；如果不满足，则进行优化；

步骤206，直至步骤205满足要求，此时已得到密封性、法兰刚度和密封环刚度、强度满足要求的结构设计，结束快速迭代流程。

5.根据权利要求4所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述对轴对称接触性能分析模型中的刚性面施加压缩量不小于初步判断环节确定的压缩量的1.2倍。

6.根据权利要求4所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤203中，如果不满足，则进行优化，具体包括：

调整法兰结构以增加压缩量，返回步骤104；

或调整预紧力以增加压缩量，返回步骤105；

或更改密封环镀层材料、厚度，返回步骤201。

7.根据权利要求4所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤205中，如果不满足，则进行优化，具体包括：

增加法兰刚度，返回步骤104；

或增加预紧力，返回步骤105；

或更改密封环镀层材料、厚度，返回步骤201。

8.根据权利要求4所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤3)的具体过程为：

步骤301，建立IV级有限元模型，在法兰和密封环中分别切取包含一个螺栓的扇区，建立包含法兰、密封环、紧固件的三维周期性对称模型；

步骤302，开展IV级有限元分析，在给定预紧和工作载荷作用下，计算预紧状态下密封环压缩量、密封环和法兰应力、应变；工作状态下密封通道张开量，密封环及法兰应力、应变，紧固件轴向载荷、应力、应变；

步骤303，验证步骤302计算得到的预紧状态下密封环压缩量、工作状态下密封通道张开量与快速迭代流程结束时得到的压缩量、张开量是否一致；若一致则进入步骤304，若不一致则修正II级模型；

步骤304，根据步骤302得到的法兰的应力、应变分布，紧固件轴向载荷、应力、应变，判断法兰、紧固件是否满足静强度要求；如果法兰、紧固件不满足静强度要求，则进行优化；直至法兰、紧固件满足静强度要求，此时得到密封性、强度和刚度均满足要求的密封环-法兰-紧固件连接结构。

9.根据权利要求8所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤303中，如果不一致，返回步骤104，修正II级模型，直至采用II级模型计算得到的压缩量、张开量相对于采用IV级模型的计算结果，误差小于5％。

10.根据权利要求9所述的一种基于分级模型的金属密封法兰连接性能评价及优化方法，其特征在于：所述步骤304中，进行优化，具体包括：

更改螺栓规格，返回步骤301；

或增加螺栓数量，返回步骤301；

或优化法兰结构，返回步骤301。

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