Se construye un modelo de análisis de elementos finitos (FEA) axisimétrico utilizando el módulo estructural estático de Ansys para evaluar el comportamiento de sellado. El modelo numérico y la malla correspondiente se muestran en la Figura 6. La estructura de sellado consta de componentes clave que incluyen el vástago de la válvula, el cuerpo de la válvula y el anillo de empaque. En base a las propiedades mecánicas del material flexible de grafito, el comportamiento constitutivo del anillo de empaquetamiento se define utilizando un modelo de endurecimiento isotrópico bilineal en la simulación de elementos finitos.
Figura 6. Modelo numérico y malla
MATHAN y otros definieron una relación de Poisson de 0,30 y un límite elástico de 1 MPa en su modelo constitutivo para los anillos de sellado enrollados con grafito. Estos parámetros se validaron experimentalmente y se encontró que representaban con precisión el comportamiento mecánico del material.
Qiangqiang Wang investigó las juntas enrolladas de metal de grafito flexible, utilizando una relación de Poisson de 0,01 y un límite elástico de 1 MPa para describir las características de compresión y rebote del material. Por lo tanto, un error de límite elástico de 1 MPa en simulaciones se considera insignificante para materiales de grafito flexibles. Wang Xiao y otros compararon los datos experimentales con diferentes relaciones de Poisson y fórmulas de módulo elástico, concluyendo que una relación de Poisson de 0,3 minimizó los errores de simulación, y el módulo elástico calculado utilizando fórmulas de ingeniería empírica coincidió estrechamente con los resultados experimentales. Usando un enfoque de modelado similar, los parámetros de material relevantes calculados con fórmulas empíricas de ingeniería se resumen en la Tabla 1.
Parámetros del material del cuadro 1. del anillo flexible del grafito
Parámetro | Valor |
Módulo elástico (MPa) | 252.186 |
Ratio de Poisson | 0.300 |
Módulo de la tangente (MPa) | 96.995 |
Fuerza de rendimiento inicial (MPa) | 1 |
En la simulación estructural estática de Ansys, se definen los siguientes pares de contactos para modelar con precisión la interacción mecánica dentro del conjunto de válvula:
- Contacto entre el anillo de empaquetadura y el vástago de la válvula
- Contacto entre el anillo de empaquetadura y el cuerpo de la válvula
- Contacto entre el anillo de embalaje y la glándula de embalaje
- Contacto entre la glándula de empaque y el vástago de la válvula
- Contacto entre la glándula de empaque y el cuerpo de la válvula
Estas definiciones de contacto son fundamentales para simular una distribución realista de la tensión y un comportamiento de deformación en condiciones operativas.
Los contactos (1) a (3) se ajustan como friccionales con un coeficiente de 0,1, actuando la superficie del anillo de empaquetadura como superficie de contacto y las superficies estructurales de acoplamiento como superficies objetivo. Los contactos (4) y (5) se definen como sin fricción. Se habilita una gran deformación y se realiza un análisis no lineal utilizando un control de rigidez constante basado en energía para la estabilidad de la solución. La simulación incluye tanto la compresión inicial de la estructura de sellado como el movimiento rotacional del vástago de la válvula. El desplazamiento del prensaestopas está limitado a cero en la dirección X, y su rotación alrededor del eje Z también es fija. Se aplican tres pasos de carga:
Paso 1: Se aplica un pequeño desplazamiento que varía de 0 a 0.001mm a la cara inferior del prensaestopas de empaquetadura para evitar la penetración entre las superficies de contacto y objetivo debido a una compresión inicial excesiva, que de otro modo podría causar errores numéricos durante la simulación.
Paso 2: El desplazamiento del prensaestopas se incrementa de 0.001mm al valor objetivo correspondiente a la tasa de compresión especificada.
Paso 3: El vástago de la válvula gira con respecto al anillo de empaquetadura a una velocidad angular de 1,57 rad/s.
Además, para simular la penetración de presión media, se introduce una etapa de análisis adicional. La presión se aplica en el nodo de interfaz fluido-sólido situado cerca del vástago de la válvula en el lado inferior de la empaquetadura, como se ilustra en la Figura 2. El comando APDL "SFE" se utiliza para ajustar el área de carga en los elementos de contacto de acuerdo con el estado del contacto, lo que permite la aplicación de presión media.
