喷嘴组件在热载荷和压力载荷下的应力及垫圈密封性分析
近期对一个试验台的子组件进行分析。目标是确定该子组件的关键部件是否能够承受热负荷和压力负荷的双重作用。使用有限元方法，涉及使用非线性材料模型和多载荷步骤分析来确定安全载荷极限并防止灾难性故障。
图 1：子组件的 CAD 模型
有限元模型开发
如图 1 所示，将子组件实体模型从整体子组件中截断，使模型边界足够远离临界应力区域（螺栓周围）。通过切除部分喷嘴，进一步简化了模型，因为其对机械应力的贡献被认为可以忽略不计。截断喷嘴确实去除了可能影响热负荷分布的材料，尽管范围很小，但使模型更加保守。根据我们的经验，这些 FEA 前的简化措施在显著缩短计算时间的同时，几乎不会损失结果的准确性，尤其是在需要进行多次运行的情况下。
有限元网格和载荷
模型网格如图2所示。为了在可接受的计算时间内达到足够的收敛效果，我们多次分析并优化了网格尺寸。为了进一步提高计算效率，我们尽可能采用六面体网格。
图 2：有限元模型网格
载荷分多个步骤施加。在第一个载荷步骤中，施加螺栓预紧载荷，模拟组件的预应力。接下来，施加温度和压力载荷，如图3所示。
图 3：按顺序应用的多个负载步骤，代表真实世界的负载。
材料模型
由于高温高压载荷，模拟中使用了非线性材料模型。温度不仅影响屈服强度，还会影响热导率、杨氏模量和热膨胀系数，如图4所示。此外，两个垫片均采用了垫片材料模型。
图 4：Inco 718 的材料和热性能随温度的变化
结果与结论
首先进行稳态热分析。温度云图如图5所示。图6中的线框显示了加载前原始未变形的装配部件，而变形后的云图则显示了放大数倍的实际变形。蓝色箭头表示温度引起的膨胀方向。
图 5：稳态热分析的结果温度分布（华氏度）
如图 7 和图 8 所示，分别研究了该子组件中包括螺栓在内的每个部件的峰值应力。进一步研究了峰值应力位置，以了解实际应力与尖角引起的奇异性之间的关系。
图 6：施加压力载荷后的冯·米塞斯应力分布。蓝色箭头表示温度引起的膨胀。
另一个问题是峰值负载下的垫片泄漏。通过分析所有负载阶跃下的接触状态、垫片压力和垫片受力，调查了这一问题。如图9所示，接触状态保持“粘连”，垫片力和压力也为正值。基于此分析，得出结论：峰值负载条件下不可能出现气体泄漏，喷嘴组件已准备就绪，可以投入使用。
图7：螺栓孔周围的峰值应力变化
图 8：螺杆上的峰值应力变化
图 9：基于接触状态和压力的垫片泄漏分析
