研究背景：

近年來隨著工業發展和科技進步，高壓容器使用場景逐漸增大，使用環境越發苛刻，如高溫、高壓以及內部壓力的波動，這都對容器端面密封性能的要求更為嚴格。端面密封所用的密封件必須具備優良的回彈性能和耐化學性能。目前常用的密封件由橡膠O形圈、金屬密封圈、彈簧蓄能密封圈以及PTFE密封圈等。

研究內容：

PTFE密封圈盡管容易蠕變和老化，但由于其自身良好的化學穩定性以及耐高低溫性能，廣泛應用于各大行業的密封場合，圖1顯示了密封圈壓縮-卸載過程中的密封特性。與橡膠等超彈性材料不同，PTFE密封圈在壓縮過程會產生塑性變形，卸載后不能完全恢復到初始狀態。B 點是壓縮階段 A-B-C 中達到密封介質壓力所需接觸應力的最小值，C點處矩形圈達到最佳密封性能。在卸載階段 C-D-E中，點D是密封失效所需接觸應力的閾值。在仿真中認為，當密封面上的最大接觸應力低于密封的介質壓力時，密封就會失效。同時，當介質壓力迫使密封面分離時，被壓縮的矩形圈必須發生回彈來補償由分離引起的應力損失，保證密封面間的接觸應力始終高于密封的介質壓力，這要求矩形圈在初始壓縮下必須具有足夠的回彈量。等效應力（Von-Mises 應力）可以用來評價材料是否發生屈服，此外，等效應力越大的區域，密封圈產生裂紋或永久變形的風險就越大，

圖1.密封圈壓縮-回彈過程中的密封特性

數值模擬：

考慮到密封結構和受力的對稱性，可以將其簡化為圖中的二維軸對稱模型進行仿真分析。當密封件沒有溝槽限制時，可使用圖2左的模型進行仿真分析，當密封圈放置在溝槽時，采用圖2右的模型仿真進行分析。

圖2.有限元模型

密封圈的材料為PTFE，在壓縮過程中存在塑性變形，采用雙線性等向硬化模型來表征材料的力學性能。

圖3.材料本構模型

共設置兩對接觸：（1）蓋板與密封圈之間的接觸；（2）溝槽與密封圈之間的接觸。密封圈表面為接觸面，蓋板及溝槽的表面設置為目標面，接觸類型設置為摩擦接觸，摩擦系數取0.1，接觸行為設置為非對稱，接觸算法選擇增廣拉格朗日，開啟大變形，因在計算過程中伴隨著材料和結構的非線性，將牛頓-拉普森選項設置為非線性。在模擬矩形圈壓縮-回彈過程時，限制溝槽的全部自由度，設置三個載荷步，將壓縮過程分為兩步，為了防止初始壓縮幅值過大，接觸面與目標面間發生穿透導致結果異常，第一步對蓋板施加向下較小的位移幅值，在該步驟中蓋板的位移幅值從0mm 變為0.001mm；下一步將蓋板的位移幅值從 0.001 mm毫米更改為達到指定壓縮率所需的位移幅值，此時可以施加介質壓力，介質壓力需使用APDL語言中的“sfe”命令來加載流體滲透壓力，它可以根據接觸狀態自適應地調整加載區域，以此盡可能真實的地模擬密封過程。第三步中，撤去介質壓力，將位移幅度設置為0 mm，用于模擬卸載過程。主要結果如下：

圖4.密封圈壓縮后的等效應力分布（介質壓力為0）

圖5.密封圈壓縮后的接觸應力分布（介質壓力為0）

圖6.密封圈壓縮后的等效應力分布（介質壓力為30 MPa）

圖7.密封圈壓縮后的接觸應力分布（介質壓力為30MPa）

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