稿件修改說明

1、PAGE PAGE 4稿件修改說明稿件號(hào)：201203022稿件名稱：Al包覆層厚度對(duì)Al-NiTi復(fù)合墊片密封面壓緊力影響的有限元分析感謝編輯和審稿人仔細(xì)閱讀所投稿件，并提出中肯意見?，F(xiàn)對(duì)“退改稿”修改做出說明如下：修改稿件時(shí)在“修訂”狀態(tài)進(jìn)行，對(duì)“批注”的回應(yīng)在修改稿中同樣采用“批注”列出。對(duì)“退改稿”中“批注”的詳細(xì)回應(yīng)見下（按“退改稿”中出現(xiàn)順序）：批注z1：尺寸應(yīng)為111.15mm。答：原文中“圖1”此處標(biāo)注錯(cuò)誤，應(yīng)為111.15mm。已修改。批注z5：圖2。答：原文中“圖2”誤標(biāo)為“圖1”。已修改。批注z3：Fig.2中圖c是鋁材的壓縮性能還是Al-NiTi復(fù)合墊片的壓縮性能？在考

2、慮彎矩時(shí)，計(jì)算應(yīng)采用Al-NiTi復(fù)合墊片的壓縮-回彈性能曲線。答：第一問：圖2中c是鋁材A1050的壓縮性能：本文中無試驗(yàn)所得到的Al-NiTi復(fù)合墊片的壓縮-回彈性能曲線。 第二問：在考慮彎矩時(shí)，若將Al-NiTi復(fù)合墊片視為整體，則應(yīng)采用Al-NiTi復(fù)合墊片壓縮性能曲線進(jìn)行計(jì)算：本文中將Al-NiTi復(fù)合墊片視為A1050包覆層和NiTi合金的“組合體”，因此利用A1050壓縮性能曲線（圖2.c）和NiTi合金壓縮性能曲線（圖2.a），在Abaqus有限元軟件中進(jìn)行“組裝”，從而進(jìn)行數(shù)值分析。批注z9：與金屬石墨纏繞墊片相近。答：接受文字修改。已修改。批注z10：在接觸的邊緣部位，可能

3、由于加載方式和網(wǎng)格的大小，計(jì)算結(jié)果有較大差異，能否作為結(jié)論的依據(jù)，請(qǐng)作者仔細(xì)考慮?？梢赃x用不同的單元，同時(shí)對(duì)墊片進(jìn)行網(wǎng)格加密，然后和之前的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，排除計(jì)算方法和計(jì)算模型帶來的誤差。為什么Al-NiTi復(fù)合墊片壓緊力呈現(xiàn)波紋狀分布？這和單元選擇有關(guān)嗎？答：這個(gè)問題牽涉到對(duì)“邊緣效應(yīng)”和“波紋狀”現(xiàn)象的解釋和說明。關(guān)于“邊緣效應(yīng)”的解釋：“從壓緊力數(shù)值來看，A1050包覆層沿徑向的分布有局部區(qū)域超過了材料的壓縮屈服強(qiáng)度（0.2=30MPa），這些區(qū)域的存在導(dǎo)致材料沿徑向有“流動(dòng)”的趨勢，在法蘭密封面和A1050包覆層表面摩擦屬性的影響下，形成沿徑向的應(yīng)力，這些徑向應(yīng)力改變了垂直于包覆

4、層表面的壓緊力數(shù)值，從而形成波紋現(xiàn)象?！贝硕挝淖忠烟砑又列薷母鍖?duì)應(yīng)段落。關(guān)于“邊緣效應(yīng)”現(xiàn)象的解釋和說明：“這種邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生源于在區(qū)域內(nèi)，僅為A1050材料承受來自于法蘭密封面的載荷，使得這一區(qū)域的材料表現(xiàn)出圖2中（c）圖A1050的受壓性能。然而這種邊緣效應(yīng)在實(shí)際墊片使用中，受包覆工藝影響將會(huì)比較大。因?yàn)樵诒疚挠?jì)算模擬中，未考慮法蘭密封面載荷作用下區(qū)域在厚度方向上受載會(huì)有沿徑向壓縮“失穩(wěn)”現(xiàn)象產(chǎn)生的可能：當(dāng)包覆層與NiTi合金墊片側(cè)面（墊片環(huán)內(nèi)側(cè)面或外側(cè)面）貼合較好，受載后不分開時(shí)，這種邊緣效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)出較好效果；然而當(dāng)包覆工藝不能保證較好的貼合效果，區(qū)域受載后可能出現(xiàn)“壓潰”現(xiàn)象，不出現(xiàn)邊

5、緣效應(yīng)?！贝硕挝淖忠烟砑又列薷母逑鄳?yīng)段落。關(guān)于“邊緣效應(yīng)”的進(jìn)一步解釋參見下圖：原始狀態(tài)受載后-情況1受載后-情況2Al-NiTi復(fù)合墊片在受載后壓縮變形，可能出現(xiàn)兩種情況，如上圖所示。換句話說，所投稿件中的數(shù)值模擬是建立在“受載后-情況2”的條件下進(jìn)行分析的。另1：關(guān)于“邊緣效應(yīng)”可否作為結(jié)論依據(jù)：這個(gè)問題的確很重要，因此我在“修改稿”相應(yīng)地方加了條件說明，即“當(dāng)包覆工藝較為理想時(shí)，”。另2：關(guān)于網(wǎng)格加密：考慮到墊片是重點(diǎn)研究對(duì)象，因此在建立計(jì)算模型時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行了加密處理。另3：關(guān)于單元類型：這個(gè)問題非常好。在Abaqus有限元軟件分析中，墊片的屬性定義有很多種，最為常見的就是應(yīng)用gaske

6、t單元，輸入墊片的壓縮-回彈曲線性能參數(shù)，就可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。然而gasket單元在Abaqus有限元軟件中也有自己的定義范圍，比如在所投稿件中應(yīng)用的GK3D8單元時(shí)考慮的是墊片的厚度方向行為（Gasket Thickness Behavior），顯然這是做了簡化處理的。所投稿件中，A1050包覆層用的C3D8R實(shí)體單元，可以反映材料在受載時(shí)較為真實(shí)的三向力學(xué)行為。那么問題是，可不可以在所有計(jì)算模型中都采用實(shí)體單元（如C3D8R），答案是：比較困難。因?yàn)槿舨捎脤?shí)體單元對(duì)金屬石墨纏繞墊片進(jìn)行分析，涉及到所用金屬纏繞帶（可能還有內(nèi)外支撐環(huán)）和石墨的性能數(shù)據(jù)，從目前國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，僅對(duì)金屬石墨纏繞帶

7、墊片細(xì)致的數(shù)值模擬分析（不考慮法蘭、螺栓）都顯得異常困難，最新的研究文獻(xiàn)也僅是采用模糊化的方法進(jìn)行處理，這里可以參見文獻(xiàn) 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合金是一種形狀記憶合金，在應(yīng)力作用下的變形行為涉及到材料本身的應(yīng)力誘發(fā)相變行為（馬氏體相和奧氏體相的相互轉(zhuǎn)

8、變），若需要細(xì)致研究NiTi合金墊片的壓縮行為，在Abaqus有限元分析軟件中，已不是實(shí)體單元能解決的，需要寫入U(xiǎn)MAT程序。鑒于此，所投稿件中采用gasket單元，利用金屬石墨纏繞帶和NiTi合金的壓縮-回彈曲線，實(shí)質(zhì)上是做了一定程度的簡化處理。 批注z13：計(jì)算的邊緣效應(yīng)是否是真實(shí)情況的反映，需要仔細(xì)分析。答：關(guān)于邊緣效應(yīng)已在上一問中有詳細(xì)解釋和說明。在“修改稿”結(jié)論處添加“當(dāng)包覆工藝較為理想時(shí)，”。已修改。關(guān)于“是否是真實(shí)情況的反映”：從目前國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，尚無對(duì)密封壓緊力進(jìn)行試驗(yàn)觀測的手段，因?yàn)闇y量手段本身可能就影響到密封壓緊力的數(shù)值。因此即便實(shí)際工程使用中密封效果較好，也很難說“真實(shí)

9、情況”反映了“邊緣效應(yīng)”的存在，“邊緣效應(yīng)”僅是一種基于數(shù)值分析的結(jié)論。對(duì)投稿系統(tǒng)“審改意見”的回復(fù)原文：您的Al包覆層厚度對(duì)Al-NiTi復(fù)合墊片密封面壓緊力影響的有限元分析已審查，認(rèn)為本文基于試驗(yàn)獲得了NiTi記憶合金薄板材壓縮-回彈性能數(shù)據(jù)及A1050鋁材壓縮性能數(shù)據(jù)，利用有限元在內(nèi)壓力和彎矩作用下，Al包覆層厚度地墊片密封面壓緊力的影響，與金屬石墨纏繞墊片、NiTi合金墊片做了比較。法蘭密封連接是很多等領(lǐng)域常見的可拆卸連接形式，其密封效果和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的選用和螺栓預(yù)緊力的匹配等很多因素相關(guān)。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法較為粗糙，采用較為精細(xì)的有限元方法，同時(shí)考慮接觸，在國內(nèi)較為先進(jìn)，計(jì)算得

10、出的壓緊力變化趨勢是正確的。但對(duì)Al-NiTi復(fù)合墊片計(jì)算得到的壓緊力波紋狀分布缺少分析，對(duì)出現(xiàn)的邊緣效應(yīng)的分析不夠，具體建議詳見稿件。 在實(shí)際工程，出現(xiàn)過僅對(duì)金屬墊片表面進(jìn)行不同的硬度處理，密封效果就有較大的差異的現(xiàn)象，因此壓緊力只是影響密封效果的一個(gè)因素。請(qǐng)補(bǔ)充修改內(nèi)容，返稿時(shí)請(qǐng)附修改說明（包括一些思路），以便復(fù)核。答：1）關(guān)于“（法蘭連接）密封效果和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的選用和螺栓預(yù)緊力的匹配等很多因素相關(guān)”。這個(gè)問題的確如此，“密封效果”包括多方面的含義，最直接的就是“泄漏”。單從“泄漏”角度而言，包括滲透泄漏和界面泄漏。與界面泄漏對(duì)應(yīng)的問題就是密封壓緊力和密封面貼合情況（涉及到硬度、

11、粗糙度），很顯然較高的密封面壓緊力對(duì)提高密封效果有益。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，基于墊片的m和y參數(shù)來進(jìn)行確定螺栓預(yù)緊力，不考慮泄漏率概念。新的PVRC墊片常數(shù)（Gb、Gs、a）是基于泄漏率試驗(yàn)獲得，與密封效果直接對(duì)應(yīng)。采用Abaqus有限元軟件分析，僅能從力學(xué)的角度來分析，無法分析泄漏。因此所投稿件關(guān)注的是密封面的壓緊力分布。金屬墊片硬度對(duì)密封效果的影響至少存在兩方面：一是改變了密封面壓緊力分布。按照Bouzid等人在2004的分析，參見文獻(xiàn) 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.，墊片密封面壓緊力分布需要考慮到法蘭、螺栓、墊片的相互作用。金屬墊片硬度的不同，直接影響到法蘭的轉(zhuǎn)動(dòng)，而法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)直接改變了密封面壓緊力的分布。也正因如此，Bouzid等人，參見文獻(xiàn) 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標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于墊片“有效密封寬度”（effective gasket seating width）的本意一直未曾得到揭示。二是改變了密封面的貼合情況。對(duì)于金屬墊片而言，密封面粗糙度是界面泄漏的一個(gè)重要因素。在同樣的粗糙度情況下，金屬墊片硬度的不同改變表面貼合情況。如下圖所示，很顯然較低硬度的接觸密封面對(duì)降低泄漏率有益。2）關(guān)于“波紋”現(xiàn)象和“邊緣效應(yīng)”這一部分在前文已有解釋和說明，此處不再贅述。3）關(guān)于“因此壓緊力只是影響密封效果的一個(gè)因素”。這一部分的說明見1），此處不再贅述。4）所投稿件的思路首先，所投稿件研究內(nèi)容設(shè)想是分析A1050包覆層厚度對(duì)密封面（泄漏界面）壓緊力的影響，同時(shí)為了考量壓緊力數(shù)值水平，引入了金屬石墨纏繞墊片和NiTi合金墊片進(jìn)行對(duì)比。其次，為了數(shù)值計(jì)算的結(jié)果具有可比性，采用了相同的法蘭、螺栓規(guī)格。金屬石墨纏繞墊片，已是標(biāo)準(zhǔn)化的系列產(chǎn)品，具有統(tǒng)一的規(guī)格尺寸，而NiTi墊片和Al-NiTi復(fù)合墊片無實(shí)際產(chǎn)品，因此NiTi墊片和Al-NiTi復(fù)合墊片的尺寸參考金屬石墨纏繞墊片確定。由于金屬石墨纏繞墊片已有