【HyperWork 2025】：压力管道的连接垫片密封性能分析

一、分析背景与核心判定标准

之前有客户咨询过，想知道多大的预紧力能满足密封需求，想着写下这篇文章。本分析以含螺栓连接及垫片的管道结构为研究对象，因管道具备圆周对称性，为显著降低计算量，实际建模时仅选取1/3管道模型开展分析。核心目标是通过CAE仿真评估垫片密封状态，判定标准为：当垫片压力大于预设的泄漏压力时，密封状态指标值输出为1（密封有效）；当垫片压力小于或等于泄漏压力时，指标值输出为0（存在泄漏）。

二、模型导入与几何简化

1. 1. 首先导入完整管道三维模型，
    
   利用其圆周对称特性，确定以1/3模型作为分析对象，而非全尺寸模型，从源头减少网格数量与计算成本。  
2. 2. 通过split功能对完整模型进行几何切割，精确保留1/3模型部分，确保切割截面与管道对称面完全重合，为后续网格划分与约束施加奠定基础。
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三、网格划分策略与生成

1. 1. 以1/3模型的对称截面为基准面，开展网格划分工作。针对该模型特性，设计两种切割策略，以平衡计算精度与效率：
• • 策略一：管面旋转与法兰面偏置；
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• • 策略二：整体旋转，孔位置采用偏置；
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1. 4. 本案例选定的网格策略2⃣️，通过“旋转+偏置”组合操作生成1/3模型的完整网格：先以对称轴线为中心旋转截面网格，再将孔附近网格删除，通过offset功能创建。
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四、垫片与螺栓建模

（一）垫片网格创建与属性定义

1. 1. 定位管道连接面的垫片凹槽，复 制凹槽上边缘的节点，将两组节点沿垂直于连接面方向向中间偏移预设距离（即垫片厚度），形成垫片的初底部节点。
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1. 2. 通过“align”功能将偏移后的节点框架投影至管道上连接平面，修正节点位置以贴合实际接触形态，随后选取投影后的节点生成垫片单元。
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4. 3. 以对称轴线为中心旋转垫片单元，生成1/3模型对应的垫片网格，确保垫片与管道凹槽完全匹配，在通过选择功能生成垫片网格。
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1. 4. 定义垫片材料属性（输入弹性模量、泊松比、压缩回弹曲线等参数）与单元属性，并将属性赋予垫片网格。
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（二）螺栓建模与属性定义

1. 1. 建立实体螺栓网格模型，螺栓尺寸与位置匹配管道螺栓孔，确保螺栓杆穿过管道法兰孔、垫片孔，螺栓头部贴合管道法兰上下表面，绘制基础网格面。
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3. 2. 对实体螺栓划分网格，
   采用结构化网格，通过offset逐级拉伸网格，并赋予螺栓材料属性。  

（一）接触对创建

为模拟实际装配中的相互作用，共创建5处关键接触对，并定义接触属性：

（二）边界约束

针对1/3模型的对称特性，需要创建圆柱坐标系，在两个对称截面施加约束：限制截面节点沿垂直于对称面方向的平移自由度，保留沿对称面内的自由度，模拟全尺寸模型的约束状态，避免模型在分析中发生非预期变形。

六、载荷施加与分析工况设置

（一）载荷施加

1. 1. 螺栓预紧力施加：在螺栓杆端部施加轴向预紧力，通过“预紧力”功能模拟螺栓拧紧过程，使垫片初步压缩。
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1. 2. 底部与对称面约束施加：
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（二）分析工况与参数设置

1. 1. 创建非线性参数卡片：
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3. 2. 定义非线性分析工况：
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1. 3. 创建输出卡片：指定输出内容，包括垫片接触压力分布、应力、管道变形量便于后续结果提取与分析。
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七、计算执行与结果输出

提交CAE分析任务，软件将根据设置的工况、参数自动完成非线性求解。计算完成后，提取关键结果：