稿件修改说明

1、PAGE PAGE 4稿件修改说明稿件号：201203022稿件名称：Al包覆层厚度对Al-NiTi复合垫片密封面压紧力影响的有限元分析感谢编辑和审稿人仔细阅读所投稿件，并提出中肯意见。现对“退改稿”修改做出说明如下：修改稿件时在“修订”状态进行，对“批注”的回应在修改稿中同样采用“批注”列出。对“退改稿”中“批注”的详细回应见下（按“退改稿”中出现顺序）：批注z1：尺寸应为111.15mm。答：原文中“图1”此处标注错误，应为111.15mm。已修改。批注z5：图2。答：原文中“图2”误标为“图1”。已修改。批注z3：Fig.2中图c是铝材的压缩性能还是Al-NiTi复合垫片的压缩性能？在考

2、虑弯矩时，计算应采用Al-NiTi复合垫片的压缩-回弹性能曲线。答：第一问：图2中c是铝材A1050的压缩性能：本文中无试验所得到的Al-NiTi复合垫片的压缩-回弹性能曲线。 第二问：在考虑弯矩时，若将Al-NiTi复合垫片视为整体，则应采用Al-NiTi复合垫片压缩性能曲线进行计算：本文中将Al-NiTi复合垫片视为A1050包覆层和NiTi合金的“组合体”，因此利用A1050压缩性能曲线（图2.c）和NiTi合金压缩性能曲线（图2.a），在Abaqus有限元软件中进行“组装”，从而进行数值分析。批注z9：与金属石墨缠绕垫片相近。答：接受文字修改。已修改。批注z10：在接触的边缘部位，可能

3、由于加载方式和网格的大小，计算结果有较大差异，能否作为结论的依据，请作者仔细考虑。可以选用不同的单元，同时对垫片进行网格加密，然后和之前的计算结果进行对比分析，排除计算方法和计算模型带来的误差。为什么Al-NiTi复合垫片压紧力呈现波纹状分布？这和单元选择有关吗？答：这个问题牵涉到对“边缘效应”和“波纹状”现象的解释和说明。关于“边缘效应”的解释：“从压紧力数值来看，A1050包覆层沿径向的分布有局部区域超过了材料的压缩屈服强度（0.2=30MPa），这些区域的存在导致材料沿径向有“流动”的趋势，在法兰密封面和A1050包覆层表面摩擦属性的影响下，形成沿径向的应力，这些径向应力改变了垂直于包覆

4、层表面的压紧力数值，从而形成波纹现象。”此段文字已添加至修改稿对应段落。关于“边缘效应”现象的解释和说明：“这种边缘效应的产生源于在区域内，仅为A1050材料承受来自于法兰密封面的载荷，使得这一区域的材料表现出图2中（c）图A1050的受压性能。然而这种边缘效应在实际垫片使用中，受包覆工艺影响将会比较大。因为在本文计算模拟中，未考虑法兰密封面载荷作用下区域在厚度方向上受载会有沿径向压缩“失稳”现象产生的可能：当包覆层与NiTi合金垫片侧面（垫片环内侧面或外侧面）贴合较好，受载后不分开时，这种边缘效应会表现出较好效果；然而当包覆工艺不能保证较好的贴合效果，区域受载后可能出现“压溃”现象，不出现边

5、缘效应。”此段文字已添加至修改稿相应段落。关于“边缘效应”的进一步解释参见下图：原始状态受载后-情况1受载后-情况2Al-NiTi复合垫片在受载后压缩变形，可能出现两种情况，如上图所示。换句话说，所投稿件中的数值模拟是建立在“受载后-情况2”的条件下进行分析的。另1：关于“边缘效应”可否作为结论依据：这个问题的确很重要，因此我在“修改稿”相应地方加了条件说明，即“当包覆工艺较为理想时，”。另2：关于网格加密：考虑到垫片是重点研究对象，因此在建立计算模型时，已经进行了加密处理。另3：关于单元类型：这个问题非常好。在Abaqus有限元软件分析中，垫片的属性定义有很多种，最为常见的就是应用gaske

6、t单元，输入垫片的压缩-回弹曲线性能参数，就可以进行数值计算。然而gasket单元在Abaqus有限元软件中也有自己的定义范围，比如在所投稿件中应用的GK3D8单元时考虑的是垫片的厚度方向行为（Gasket Thickness Behavior），显然这是做了简化处理的。所投稿件中，A1050包覆层用的C3D8R实体单元，可以反映材料在受载时较为真实的三向力学行为。那么问题是，可不可以在所有计算模型中都采用实体单元（如C3D8R），答案是：比较困难。因为若采用实体单元对金属石墨缠绕垫片进行分析，涉及到所用金属缠绕带（可能还有内外支撑环）和石墨的性能数据，从目前国内外文献来看，仅对金属石墨缠绕带

7、垫片细致的数值模拟分析（不考虑法兰、螺栓）都显得异常困难，最新的研究文献也仅是采用模糊化的方法进行处理，这里可以参见文献 Mathan G，Prasad N S. Evaluation of effective material properties of spiral wound gasket through homogenizationJ. International Journal of Pressure Vessels and Piping，2010，87：704713.。NiTi合金是一种形状记忆合金，在应力作用下的变形行为涉及到材料本身的应力诱发相变行为（马氏体相和奥氏体相的相互转

8、变），若需要细致研究NiTi合金垫片的压缩行为，在Abaqus有限元分析软件中，已不是实体单元能解决的，需要写入UMAT程序。鉴于此，所投稿件中采用gasket单元，利用金属石墨缠绕带和NiTi合金的压缩-回弹曲线，实质上是做了一定程度的简化处理。 批注z13：计算的边缘效应是否是真实情况的反映，需要仔细分析。答：关于边缘效应已在上一问中有详细解释和说明。在“修改稿”结论处添加“当包覆工艺较为理想时，”。已修改。关于“是否是真实情况的反映”：从目前国内外文献来看，尚无对密封压紧力进行试验观测的手段，因为测量手段本身可能就影响到密封压紧力的数值。因此即便实际工程使用中密封效果较好，也很难说“真实

9、情况”反映了“边缘效应”的存在，“边缘效应”仅是一种基于数值分析的结论。对投稿系统“审改意见”的回复原文：您的Al包覆层厚度对Al-NiTi复合垫片密封面压紧力影响的有限元分析已审查，认为本文基于试验获得了NiTi记忆合金薄板材压缩-回弹性能数据及A1050铝材压缩性能数据，利用有限元在内压力和弯矩作用下，Al包覆层厚度地垫片密封面压紧力的影响，与金属石墨缠绕垫片、NiTi合金垫片做了比较。法兰密封连接是很多等领域常见的可拆卸连接形式，其密封效果和连接结构的设计、材料的选用和螺栓预紧力的匹配等很多因素相关。 传统的设计方法较为粗糙，采用较为精细的有限元方法，同时考虑接触，在国内较为先进，计算得

10、出的压紧力变化趋势是正确的。但对Al-NiTi复合垫片计算得到的压紧力波纹状分布缺少分析，对出现的边缘效应的分析不够，具体建议详见稿件。 在实际工程，出现过仅对金属垫片表面进行不同的硬度处理，密封效果就有较大的差异的现象，因此压紧力只是影响密封效果的一个因素。请补充修改内容，返稿时请附修改说明（包括一些思路），以便复核。答：1）关于“（法兰连接）密封效果和连接结构的设计、材料的选用和螺栓预紧力的匹配等很多因素相关”。这个问题的确如此，“密封效果”包括多方面的含义，最直接的就是“泄漏”。单从“泄漏”角度而言，包括渗透泄漏和界面泄漏。与界面泄漏对应的问题就是密封压紧力和密封面贴合情况（涉及到硬度、

11、粗糙度），很显然较高的密封面压紧力对提高密封效果有益。传统设计方法中，基于垫片的m和y参数来进行确定螺栓预紧力，不考虑泄漏率概念。新的PVRC垫片常数（Gb、Gs、a）是基于泄漏率试验获得，与密封效果直接对应。采用Abaqus有限元软件分析，仅能从力学的角度来分析，无法分析泄漏。因此所投稿件关注的是密封面的压紧力分布。金属垫片硬度对密封效果的影响至少存在两方面：一是改变了密封面压紧力分布。按照Bouzid等人在2004的分析，参见文献 Bouzid A H，Derenne，Ei-Rich M，et al. Effect of flange rotation and gasket width o

12、n the leakage behavior of bolted flanged jointsJ. Welding Research Council Bulletin，2001，11：496.，垫片密封面压紧力分布需要考虑到法兰、螺栓、垫片的相互作用。金属垫片硬度的不同，直接影响到法兰的转动，而法兰转动直接改变了密封面压紧力的分布。也正因如此，Bouzid等人，参见文献 Bouzid A H，Diany M，Derenne M. Determination of gasket effective width based on leakageC. ASME/JSME Pressure Vesse

13、ls and Piping Conference，San Diego，US，2004. ，在2004年直接指出ASME标准中关于垫片“有效密封宽度”（effective gasket seating width）的本意一直未曾得到揭示。二是改变了密封面的贴合情况。对于金属垫片而言，密封面粗糙度是界面泄漏的一个重要因素。在同样的粗糙度情况下，金属垫片硬度的不同改变表面贴合情况。如下图所示，很显然较低硬度的接触密封面对降低泄漏率有益。2）关于“波纹”现象和“边缘效应”这一部分在前文已有解释和说明，此处不再赘述。3）关于“因此压紧力只是影响密封效果的一个因素”。这一部分的说明见1），此处不再赘述。4）所投稿件的思路首先，所投稿件研究内容设想是分析A1050包覆层厚度对密封面（泄漏界面）压紧力的影响，同时为了考量压紧力数值水平，引入了金属石墨缠绕垫片和NiTi合金垫片进行对比。其次，为了数值计算的结果具有可比性，采用了相同的法兰、螺栓规格。金属石墨缠绕垫片，已是标准化的系列产品，具有统一的规格尺寸，而NiTi垫片和Al-NiTi复合垫片无实际产品，因此NiTi垫片和Al-NiTi复合垫片的尺寸参考金属石墨缠绕垫片确定。由于金属石墨缠绕垫片已有