第57卷 第7期Vol. 57 No. 7
2019年7月
气虚的表现症状有哪些July 2019农业装备与车辆工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING
doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.07.012
基于ABAQUS的非石棉垫片密封结构的仿真分析
李雷1,2，曾超1,2，刘伦伦1,2
（1. 261000 山东省 潍坊市 内燃机可靠性国家重点实验室；2. 261000 山东省 潍坊市 潍柴动力股份有限公司）
[摘要]以某发动机空压机盖板与齿轮室盖的非石棉垫片密封结构为研究对象，用有限元法对非石棉垫片
进行面压力模拟计算。基于ABAQUS中的GASKET单元对非石棉垫片进行有限元建模，通过非石棉垫片
的回弹特性曲线，实现对非石棉垫片在厚度方向上的非线性特性模拟。施加不同螺栓预紧力，分析不同条
件下非石棉垫片的面压力。对比面压试验结果，仿真结果与试验结果一致性很高，证明仿真方法的有效性。
基于仿真结果优化空压机盖板结构，提出优化建议。
[关键词] 非石棉垫片；密封；Abaqus；回弹特性曲线
[中图分类号] TK422 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)07-0044-03
Simulation Analysis of Non-Asbestos Gasket Sealing Structure Bad on ABAQUS
Li Lei1,2, Zeng Chao1,2, Liu Lunlun1,2
(1. State Key Laboratory of Engine Reliability, Weifang City, Shandong Province 261000, China;
2. Weichai Power Co., Ltd., Weifang City, Shandong Province 261000, China)
[Abstract] Taking the aling structure of the cover plate of an engine air compressor and the casing
of gear chamber as the rearch object, the finite element method is ud to simulate the surface pressure of a non-asbestos gasket. Bad on the finite element modeling of non-asbestos GASKET in ABAQUS, through the elastic characteristic curve of non-asbestos GASKET, the nonlinear characteristic of non-asbestos GASKET in the thickness direction can be simulated. The surface pressure of non-asbestos gaskets under different conditions is analyzed by applying different bolt pretightening forces. Compared with the surface pressure test results, the simulation results are highly consistent with the test results, proving the effectiveness of the simulation method. Bad on the simulation results, the structure of cover plate of air compressor is optimized, and the optimization suggestions are propod. [Key words] non-asbestos gasket; al; Abaqus; springback characteristic curve
0 引言
发动机的密封性能是衡量发动机性能和可靠性的一项重要指标。石棉是具有高强度、耐化学及热侵蚀等特性的天然纤维状硅酸盐矿物总称[1]，曾是密封领域产量最大、应用最广的非金属材料。但是大量研究证明石棉具有生物活性及很强致癌作用。所以石棉和石棉制品已被禁止或限制使用。20世纪后期，逐渐发展成熟的非石棉垫片可以在广泛的范围内替代传统石棉橡胶板密封垫片[2]。在发动机的密封结构中，广泛应用着非石棉密封垫片。川芎的作用和功效
随着CAE技术和计算机硬件水平的不断发展，结构有限元分析技术也越来越多地应用于发动机分析计算中[3]。如何通过CAE技术对发动机的密封结构进行模拟计算，评估密封结构的密封性能也成为越来越多的发动机设计者所关注的问题。目前，使用结构有限元分析技术对金属垫片的密封性研究较多，而对于使用非石棉垫片的密封结构研究相对较少。朱晓玲[4]运用Abaqus分析了某型号发动机气缸金属垫片在不同工况下的压力分布情况。韩奎超、许自顺[5]等利用有限元法分析了缸盖和排气管之间的多层复合垫片的接触应力分布。文章以HyperMesh作为前处理工具，以Abaqus作为求解器，计算了某发动机空压机盖板与齿轮室盖的非石棉垫片密封结构的密封性能，并基于仿真结果提出优化方案，在设计初期对所设计的结构进行可靠性评估以及结构优化，为设计者提供参考和依据，缩短了设计周期，降低了设计成本。
收稿日期: 2018-06-14 修回日期: 2018-06-25
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第57卷第7期
1 有限元模型
1.1 有限元模型建立
利用前处理软件HyperMesh 导入齿轮室、齿轮室盖、空压机盖板、密封垫片的三维STEP 模型。对于齿轮室盖，空压机盖板使用C3D10I 进行网格划分，螺栓使用C3D15划分网格。
由于非石棉密封垫片在厚度方向上表现出非常强的非线性特性，如果使用个性同性实体单元来模拟，则厚度方向的非线性特性无法体现，直接影响计算结果。ABAQUS 提供了专门的垫片单元来模拟垫片结构[6]。这种单元在厚度方向上只需要1~2层单元即可。单元在厚度方向上的非线性特性通过定义垫片的回弹特性曲线来实现，如图1所示。
由于密封垫片为主要关注结构，因此需要对密封垫片以及密封垫片两侧结构的接触面网格进行适当细化，为了保证精度，接触面网格细化为2 mm，其余部位的网格尺寸适当放大，以减少单元数量，缩短计算时间。优化后，共计划分单元116 092个，并根据计算迭代要求检查网格质量。装配结构的有限元模型如图2所示。
1.2 接触定义及边界条件
本文所计算的结构中，涉及的接触面有齿轮室盖与螺栓、密封垫片与齿轮室盖、密封垫片与空压机盖板、空压机盖板与螺栓。齿轮室盖与螺栓之间定义为面-面的Tie 接触。密封垫片与齿轮室盖、密封垫片与空压机盖板之间定义为
面-面的小滑移（Small sliding）接触。空压机盖板与螺栓之间定义为面-面的有限滑移（Finite sliding）接触[4-5]。
通过对有限元模型施加边界条件来反映所计算部件实际工况中的约束情况。边界条件应尽量简化，避免由于边界条件设置不当导致计算不收敛或计算结果不准确。本模型根据实际情况，对齿轮室端面（与机体的接触面）施加6向约束。1.3 载荷
本文所计算的模型中，空压机盖板通过4颗M8六角法兰面螺栓紧固在齿轮室盖上。根据企业标准，该处螺栓的拧紧力矩为32~41 N ·m，计算得螺栓的预紧力为20 000~25 625 N。通过分别施加最小的螺栓预紧力与最大螺栓预紧力两种工况下，来考察密封垫片的压力分布情况。
2 计算结果及分析验证
2.1 计算结果
根据载荷设置，本文分别计算了在施加最大螺栓预紧力和最小螺栓预紧力时，密封垫片的压力分布，
计算结果如图3、图4所示。根据密封垫片的压力云图可以看出，两种工况下，密封垫片最低面压值为0（云图中椭圆标识的黑色区域）。说明密封垫片存在零面压区，密封不满足要求。
图2 有限元模型吃劲
Fig.2 Finite element model
图4 最小螺栓预紧力下的压力分布
Fig.4 Pressure distribution under minimum bolt pretension
图3 最大螺栓预紧力下的压力分布
Fig.3 Pressure distribution under maximum bolt pretension
别告诉任何人图1 非石棉垫片回弹特性曲线
Fig.1 Elastic characteristic curve of non-asbestos gasket
面压/(N /m m 2)
12010080604020礼貌拼音
0 0.05 0.10 0.15 0.20
评课表变形/mm
李雷 等：基于ABAQUS 的非石棉垫片密封结构的仿真分析
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2.2 计算结果分析
对比两种工况下密封垫片的压力分布可以看
出，在较大螺栓预紧力的工况下，螺栓压紧区域
的面压值较大，最大值约为163 MPa。但是相较
于另一种工况，它的零面压区域面积更大。
在本文所计算的结构中，空压机盖板使用的
笔记格式
材料为HT250，厚度为8 mm。在施加螺栓预紧
力后，受限于空压机盖板本体的刚度，盖板本身
会发生翘曲变形，再加上螺栓跨距较大，所以在
两个螺栓中间位置出现零面压区。当施加的螺栓
预紧力较大时，盖板的变形量更大，导致在较大
螺栓预紧力时，零面压区更大。
2.3 计算结果验证
通过使用FujiFilm感压纸对所计算空压机盖板进行面压试验，得到垫片的压力分布情况，如图5所示。试验结果表明，非石棉密封垫片上压力分布规律与有限元计算得到的压力分布基本吻合，证实了仿真计算的准确性。
3 结构优化及验证
3.1 优化方案
根据仿真结果及分析，由于空压机盖板自身刚度不足，再加上螺栓跨距较大，导致出现零面压区。由
于布置原因，无法增加或改变紧固螺栓的位置，考虑通过提高空压机盖板本体刚度来改善面压结果。考虑工艺性，增加盖板的厚度是最有效和直接的方案。图6为空压机盖板厚度增加至12 mm后密封垫片的面压分布云图。
将盖板厚度增加至12 mm后，密封垫片的最低面压值为3.02 MPa。所有密封区域不存在零面压区，密封满足要求。
4 结论
世纪的约定歌词通过ABAQUS对某发动机空压机盖板的密封结构进行计算分析，并对比试验结果，可以得出以下结论：
（1）通过ABAQUS中Gasket单元，可以模拟非石棉垫片在实际工况中的面压分布情况。
（2）空压机盖板的刚度、紧固螺栓的预紧力会对密封产生影响。
（3）通过对密封结构进行有限元分析，可以提前发现潜在失效风险，并通过仿真手段提出合理化建议，缩短了开发周期，节约了开发成本。
参考文献
[1] 王瑜.我国石棉开采和加工企业粉尘危害研究[J].中国安全
生产科学技术,2011,7(4):144-147.
[2] 顾伯勤.非石棉密封垫片的性能及应用[J].化工设备与管
道,2002(01):5-9+3.
[3] 杨万里，许敏，辛军，等.发动机缸盖耦合热应力分析[J].内
燃机工程,2007(2):47-50.
[4] 朱晓玲.基于Abaqus的发动机气缸金属垫片密封性能仿真
[J].计算机光盘软件与应用,2012(10):151,153.
[5] 韩奎超，许自顺，李孟涵，等.排气管多层复合垫片密封性
研究[J].农业装备与车辆工程,2015,53(10):23-27
[6] 庄茁，由小川，廖剑晖，等. 基于ABAQUS 的有限元分析和
应用[M].北京：清华大学出版社,2009.
作者简介 李雷（1985— ），男，助理工程师，工学学士。主要研究方向：发动机结构可靠性和有限元仿真。E-mail：lilei09@
图5 面压试验结果
Fig.5 Test result of surface pressure
图6 12 mm盖板的压力分布
Fig.6 Pressure distribution of cover plate 12 mm think
