在航空航天产品复合材料轻量化的发展进程中,进一步在翻边结构中使用复合材料对减重及提高性能的一致性具有重要意义。针对L型翻边在实际受载情况下R角处发生分层缺陷的实际问题,提出在翻边结构连接处加装金属垫片的设计思路,经有限元仿真论证了加装金属垫片降低R角处层间应力水平的可行性。通过综合开展283℃工况下设计载荷、限制载荷、极限载荷及破坏强度试验,进一步发现金属垫片及翻边的配合间隙对受载性能具有重要的影响作用,通过施加螺栓预紧力使其小于或等于0.1 mm。最终结果表明优化配合间隙情况下,通过加装金属垫片的设计方法能够有效减小R角处的层间应力水平并避免分层缺陷的发生。

针对某直喷增压发动机排气管前端法兰与增压器法兰结合面漏气问题,通过数字化CAE仿真手段,复现法兰结合面在发动机工作时的变形情况和金属垫片密封情况,发现漏气的真实原因,即高温、法兰结合面挤压变形双重作用导致垫片密封环凸筋结构被破坏。开展法兰结合面密封性能优化研究,得到最经济的结构改进方案,使法兰结合面对垫片的挤压变形降低46%,一次通过发动机冷热冲击试验验证,解决漏气问题。

利用有限元软件ANSYS对不同螺栓载荷下的垫片接触应力分布进行了数值模拟。在此基础上，结合垫片系数m及内压，计算得到垫片有效密封宽度。结果表明，垫片有效密封宽度除受法兰密封面形状和垫片基本宽度影响外，还与法兰刚度和垫片几何尺寸有关；垫片有效密封宽度有限元计算值比GB150—1998规范计算值小。这为螺栓法兰金属垫片的设计与安全评价提供了参考。

通过ANSYS对卡爪高颈透镜垫连接器进行接触分析,研究透镜垫接触应力、压缩变形、接触宽度和接触载荷之间关系及自紧性。结果表明透镜垫接触载荷线性变化、接触应力分布不均匀、接触宽度非线性变化、密封面与轴向夹角增大和自紧性与垫片的结构型式、几何尺寸和材料有关。

金属垫片密封是压力容器和管道中常见的密封形式。其失效极少是因强度不足引起的，泄漏是连接系统失效的主要原因。在真实螺栓法兰金属垫片连接结构中。垫片的局部接触应力对螺栓法兰连接结构密封性能的影响较垫片的平均压紧应力更大。笔者在Wafters法的基础上，考虑了操作压力的影响，对法兰变形进行理论分析，推导了法兰偏转角的计算公式。根据法兰偏转角和金属垫片力学性能，提出了金属垫片接触应力分布的解析算法。解析计算得到的平均应力与数值模拟结果较为接近，但垫片外缘的最大应力小于数值模拟值，金属垫片接触应力的解析计算方法可作为一种保守的工程算法，可用于真实螺栓法兰金属垫片连接结构的设计。