管道和压力容器通常是采用法兰垫片结构连接形式,其中垫片的作用是为了减少密封介质的泄漏。由于法兰垫片结构在工程设备中的应用十分广泛,密封介质通过垫片的泄漏是整个设备泄漏的主要来源,所以该结构密封机理与泄漏率计算模型的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。国内外的研究工作者们对法兰垫片结构的密封特性进行了多方面的研究,研究方向主要集中在连接结构宏观密封机理、密封区域微观泄漏模型、密封粗糙区域微观接触力学等。虽然法兰连接结构密封性能的相关研究比较全面,但是现存的泄漏机理模型和泄漏率的预测方法都包含了大量的实验回归系数。为了准确地预测法兰垫片结构不同工况下的泄漏率,本文结合密封粗糙区域的流动模拟数据和微观力学接触分析结果,提出了一个不依赖实验回归系数的泄漏率的理论预测模型。首先利用MATLAB软件生成粗糙面轮廓高度服从Gauss分布的随机数值粗糙表面,然后把生成的数值粗糙表面数据导入SOLIDWORKS软件中构建粗糙表面三维模型,随后利用ANSYS模拟仿真软件对粗糙密封接触区域三维模型进行流体仿真,最后根据大量不同工况下泄漏率的模拟结果整理出流量因子的表达式。由流量因子的表达式可知连接结构的泄漏率与密封接触应力和密封间隙高度等参数相关。本项目根据接触力学理论构建了粗糙面微观粗糙峰接触模型,利用ABAQUS有限元分析软件对接触模型进行分析,根据有限元分析结果整理出密封间隙高度关于密封接触应力和密封系数的表达式,最后基于多孔渗流理论并结合流体仿真和有限元分析结果提出泄漏率的理论预测模型。为了验证了理论预测模型的准确性,本文把项目中吊装孔和参考文献固体燃料电池实验数据同泄漏率的理论值进行了比较验证。本文随后根据泄漏率的理论预测模型对泄漏率影响因素进行了分析,研究了粗糙面粗糙度、工作温度、密封接触应力、密封介质种类等因素对密封性能的影响。研究结果对复合金属垫片法兰垫片密封的性能优化设计起到了重要指导作用。