1.前言

　　管接头是气体或液体输送系统中的重要部件，广泛应用于航空、航天和交通工具的动力系统中。管接头将导管、活门、传感器等结构连接起来构成整个输送系统，并起到防止管路系统的介质泄漏的作用。通常导管连接过程中，对管接头均有严格的拧紧力矩要求，明确管接头拧紧力矩，提供产品管路连接质量，是防止管接头泄漏、确保管路连接质量、提高接头密封可靠性的重要手段。因此，采用有限元和试验方法对管接头的拧紧过程进行分析有较大的工程意义。

　　本文基于有限元分析软件Abaqus/Standard，建立对管接头拧紧力矩和密封带宽度进行有限元计算，得到管接头密封带宽度与拧紧力矩之间的关系。

　　2.数值模型

　　2.1 结构描述

　　管接头由接管嘴、球头和外套螺母组成，通过外套螺母与接管嘴之间的螺纹连接将球头与接管嘴紧固，具体见图1.

http://www.aosailuo.cn/aosailuo/e/UploadFile/2014820165738761.jpg

　　2.2.材料本构模型

　　接管嘴、球头和外套螺母的材料均为1Cr18Ni9Ti。为使计算结果准确，采用中提供的1Cr18Ni9Ti拉伸、压缩试验结果。试验件材料性能参数如表1所示。弹性模量197GPa。

　　2.3 有限元模型

　　在对管接头密封带宽度进行有限元计算时，对其结构进行了简化处理。由于计算中主要考虑拧紧力矩对密封带宽度的影响，模型可以忽略外套螺母与接管嘴之间的螺纹。管接头的结构具有轴对称性(外套螺母除外)，而外套螺母作为用扳手施加拧紧力矩设计的，并不承受其它载荷作用，也不是接触变形分析的重点部位，因此可以将外套螺母也看成是轴对称的。简化后的轴对称的有限元模型，如图2所示。

http://www.aosailuo.cn/aosailuo/e/UploadFile/2014820165838661.jpg

　　Abaqus软件中的轴对称单元包括三节点线性三角形单元CAX3和4节点双线性四边形单元CAX4等。本模型中接头结构的各个部件就是主要采用以上两种单元进行有限元计算。为了较为准确计算管结头密封宽度，球头与管接嘴接触位置的单元尺寸量级取为0.03mm。同时考虑到有限元计算的速率，其它部位则取为0.3mm，模型的网格尺寸如图3所示。

http://www.aosailuo.cn/aosailuo/e/UploadFile/2014820165924359.jpg

　　2.4 边界条件及载荷

　　2.4.1 位移边界条件

　　模型主要分析接头拧紧力矩、密封带宽度及预紧力之间的关系。整个静力分析的过程中接头的外力载荷可以看成是外套螺母上承受预紧力的作用，而使球头相对接管嘴发生强迫位移。因此在模型中约束接管嘴轴向位移。

　　2.4.2 外力载荷

　　由于拧紧力矩的作用，使螺栓和被联接件之间产生预紧力Qp。拧紧力矩T等与螺旋副的摩擦力矩T1和螺母环形锥面和被联接件支撑面间的摩擦阻力矩T2之和，即：T=T1 T2 (1)

　　螺旋副间的摩擦力矩为：

　　式中，d2为螺纹中经(mm) λ为螺纹升角(°) ∅为螺旋副的当量摩擦角(°)

　

　　D0，d0分别为外套螺母与球头接触的环形面的外径(取6.6mm)和内径(取4.5mm)。

　　将式(2)(3)代入式(1)得：

　　外套螺母拧紧造成的轴向强迫位移，在实际结构中载荷是施加于螺纹接触面上的，而螺纹连接处的应力和变形不是本模型中所关注的。因此，在模型中可采用均匀施加于螺纹接触面沿轴向的拉力，见图4。http://www.aosailuo.cn/aosailuo/e/UploadFile/201482017127264.jpg

　　2.4.3 接触定义

　　管接头接触密封涉及到接触问题，需要在有限元模型中进行接触定义。Abaqus软件具有较强的结构接触分析功能，对于管接头模型中，球头、接管嘴和外套螺母之间的相互接触行为，可以采用Abaqus中*Surface-to-surface进行接触对定义。模型中的3个接触对如图5所示。

http://www.aosailuo.cn/aosailuo/e/UploadFile/201482017212283.jpg

　　接触对之间的接触属性，主要包括法向接触属性和切线接触属性。本模型中将法向定义为硬接触，具有不可穿透性;切向选取罚函数接触算法，各部分之间的摩擦系数均取0.2。

　　3.计算结果与分析

　　3.1 外套螺母与球头不同接触方式与计算结果比较

　　为了与直角面接触管接头进行比较，选取在相同的拧紧力矩，计算直角和锥角接触管接头相应的预紧力作为外部载荷，求解密封带的宽度。

　　管接头拧紧力矩为9N.m时，代入式中计算得到预紧力为5882N作为外力载荷，计算得到的密封带宽度为1.05mm，见图6、图7。

http://www.aosailuo.cn/aosailuo/e/UploadFile/201482017411426.jpg

　　表2详细列出了在不同的预紧力情况下，计算得到接头拧紧拧紧力矩与密封带宽度、接头拧紧力之间的定量关系。

　　基于计算的结果，建立起拧紧力矩与密封带宽度之间的对应关系，如图8所示，并对样点的数值今夕拟合得到拧紧力矩与密封带宽度之间的函数关系为：

http://www.aosailuo.cn/aosailuo/e/UploadFile/201482017622799.jpg

　　其中：x为拧紧力矩(N.m)，y为密封带宽度(mm)。对于通径为2mm，材料为1Cr18Ni9Ti的管接头，在拧紧力矩为4N.m~16N.m 的范围内可以采用公式(4)计算相应的密封带宽度。

　　3.2 密封带宽度计算误差分析

　　由于有限元计算是对有限元节点进行计算，计算接触面宽度时，认为产生塑性变形的节点对应的位置是接触的，反之，则认为是没有接触的。接触面接触部分起始节点和结束节点之间的距离即为接触面宽度。而实际接触的起始位置和结束位置一般位于两个节点之间，这样根据节点是否产生塑性变形判断密封带宽度就产生了误差。模型在密封面处的网格宽度为0.03mm左右，这样在起始接触位置和结束接触位置的单边最大误差分别为±0.03mm，密封带宽度最大误差为±0.06mm。

　　4.结论

　　通过有限元模型计算不同的拧紧力矩作用下，密封带宽度，建立管接头拧紧力矩和密封带宽度之间的函数关系。对于实际组装过程中应施加的拧紧力矩，提供理论参考和指导，并能有效降低试验的成本。

更多密封带的信息欢迎访问垫片网站：奥赛罗密封