（机械设计及理论专业论文）冲压松套钢制管法兰的力学性能研究.pdf

摘要 摘要 法兰是容器及管道连接中的重要部件，它的作用是通过螺栓和垫片的连接与密封， 保证可拆连接处不会发生损坏或泄漏。在管道工程中，法兰主要用于管子、泵、阀、压 力容器及各种承压设备的连接。它分为标准法兰与非标准法兰。当采用非标准法兰用于 压力容器与压力管道时，必须对法兰进行校核计算以保证法兰部件连接的可靠性，确保 设备安全运行。我国现行的非标法兰设计计算依据的规范为g b l 5 0 - 1 9 9 8 钢制压力容 器。 冲压松套钢制管法兰( 论文中简称：冲压法兰) 是一种新型的压力容器用的非标管 法兰，在国外该法兰已经应用于设计压力1 m p a ，设计温度低于2 0 0 压力容器与压力管 道上，尤其在染色机行业上得到了普遍的应用。冲压法兰的法兰盘使用了非平面的异型 结构，使壁厚大幅度减小，降低了原材料成本；加工方法使用冲压一次成型，能大大降 低生产成本。但由于g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器不适用于冲压法兰的设计计算，造成 冲压法兰至今不能全面投入工程应用。 本文介绍了冲压法兰的结构及特点，对国内外的法兰设计校核和设计计算方法进行 了全面的分析研究，并以g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器的非标法兰设计计算为基础，对 冲压法兰的力学性能进行研究，运用a n s y s 软件对冲压法兰进行有限元应力分析，得出 十一个规格冲压法兰应力分布；依据g b l 5 0 - 1 9 9 8 钢制压力容器的强度失效准则，完 成对冲压法兰的强度校核。同时，本文辅之于水压试验，进一步验证了冲压法兰结构的 可靠性，最后完善了十一个规格冲压法兰的设计，并制定出了冲压法兰企业标准。 本文的研究结果形成了一套完备的冲压法兰设计计算依据，全面论证了冲压法兰的 结构可靠性，为冲压法兰在我国的推广应用奠定了理论基础。 关键词：法兰；非标法兰；冲压松套钢制管法兰；压力容器；压力管道；有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t f l a n g e sa r e t h ei m p o r t a n tp a r t si nt h ec o n n e c t i o no fc o n t a i n e r sa n dp i p e s ，w h i c he n s u r et h e c o n n e c t i o ni n t e g r i t ya n di n t a c t n e s s 晰t ht h eb o l t sa n ds e a l i n gg a s k e t s i nt h ep i p e l i n ep r o j e c t ， f l a n g e sa r em a i n l yu s e di nt h ec o n n e c t i o nf o rp i p e s ，p u m p s ，v a l v e s ，p r e s s u r ev e s s e l sa n d p r e s s u r ed e v i c e s i ti sd i v i d e di n t os t a n d a r df l a n g ea n dn o n - s t a n d a r df l a n g e t h en o n - s t a n d a r d f l a n g e sm u s tb ec a l c u l a t e dt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fi t sc o m p o n e n t sa n dt h es a f eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t s ，w h e nm e ya r eu s e df o rp r e s s u r ev e s s e l sa n dp r e s s u r ep i p e s t h ec u r r e n t n o n - s t a n d a r df l a n g ed e s i g nm e t h o di sb a s e do ng b l 5 0 - 1 9 9 8 ”s t e e lp r e s s u r ev e s s e l ” p r e s s e dl o o s es t e e lp i p ef l a n g e ( h e r e i n a f t e rt ob er e f e r r e da s ：p r e s s e df l a n g e ) i san e wk i n d o fn o n s t a n d a r dp i p ef l a n g ef o rp r e s s u r ev e s s e l s a ta b r o a d ，p r e s s u r ef l a n g eh a sb e e nu s i n gi n t h ep r e s s u r ev e s s e l sa n dp r e s s u r ep i p e sw h o s ed e s i g np r e s s u r ei s1m p a , w h o s ed e s i g n t e m p e r a t u r ei sb e l o w2 0 0 。c ，p a r t i c u l a r l yi nt h ed y e i n gm a c h i n ei n d u s t r yh a sb e e nw i d e s p r e a d a p p l i e d t h ep l a t ef l a n g eo fp r e s s u r ef l a n g ew i t hs p e c i a l - s h a p e dn o n - p l a n a rs t r u c t u r ec a r l r e d u c et h ew a l lt h i c k n e s sa n dt h ec o s to fr a wm a t e r i a l s ；t h em a n u f a c t u r em e t h o di sm a k i n gt h e f l a ts t e e li n t op l a t ef l a n g ef o ro n et i m e ，t h u sc a ng r e a t l yr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s h o w e v e r ， d u et og b l 5 0 - 1 9 9 8 ”s t e e lp r e s s u r ev e s s e l ，”d o e sn o ta p p l yt ot h ec a l c u l a t i o no fp r e s s u r e f l a n g e ，s ot h ep r e s s e df l a n g eh a s n tb e e na p p l i e df o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sc o m p l e t e l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef e a t u r e sa n ds t r u c t u r eo fp r e s s e df l a n g ea r ei n t r o d u c e d ；t h e d e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so ff l a n g ea th o m ea n da b r o a da r es t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nm e t h o do fn o n - s t a n d a r df r o mg b l 5 0 1 9 9 8 ”s t e e lp r e s s u r ev e s s e l ”， s t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp r e s s e df l a n g e ，m a k ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp r e s s e d f l a n g e 、衍t hs o f t w a r ea n s y s o b t a i nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f11t y p e so fp r e s s e df l a n g e ； a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t hf a i l u r ec r i t e r i o nf r o mg b l 5 0 1 9 9 8 ”s t e e lp r e s s u r ev e s s e l ”，f i n i s ht h e c h e c k i n go fs t r e n g t h f u r t h e r m o r e ，f u r t h e rv e r i f yt h er e l i a b i l i t yo fs t r e n g t h ，s t i f f n e s s ，a n dl e a k t i g h t n e s st h r o u g ht h eh y d r a u l i ct e s t f i n a l l y , i na c c o r d a n c e 、加t hs t r e s s a n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e2 dd r a w i n g so fp r e s s e df l a n g e sa r ep e r f e c t e d ，a n dw ea l s oe n a c t e n t e r p r i s es t a n d a r d s r e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rp r o v i d eac o m p l e t er e f e r e n c eo fp r e s s e df l a n g e ，f u l l y d e m o n s t r a t e dt h er e l i a b i l i t yo ft h ep r e s s e df l a n g e ss t r u c t u r e ，e s t a b l i s hat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o rt h ea p p l i c a t i o no f p r e s s e df l a n g ei no u rc o u n t r i e s k e y w o r d s ：f l a n g e ；n o n s t a n d a r df l a n g e ；p r e s s e dl o o s es t e e lp i p ef l a n g e ；p r e s s u r ev e s s e l ； p r e s s u r ep i p e ；f i n i t ee l e m e n t 符号说明 腑l , - t 号说明丐况明 f d 一作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力，n f 。一法兰垫片压紧力，n r 一流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径街面上的流体压力引起的轴向力之差，n d ，一法兰内径，衄 d 。一法兰外径，衄 d 。一螺栓中心圆直径，衄 d g 一垫片压紧力作用中心圆直径，咖 6 ，一法兰有效厚度，衄 6 。一法兰颈部小端有效厚度，m m 6 。一法兰颈部大端有效厚度，m i l l l g 一螺栓中心至f 。作用位置处的径向距离，m l n l d 一螺栓中心至f d 作用位置处的径向距离，衄 h 一法兰颈部高度，对简体端部结构、为端部圆柱段的高度，m m b 。一垫片基本密封宽度，咖 b 一垫片有效密封宽度，m i l l n 一垫片接触宽度，唧 珥一垫片压紧力作用中心圆直径，m n q y 一垫片比压力，由g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器表9 2 查得 m 一垫片系数，由g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器表9 - 2 查得； 所一计算压力，m p a f 一流体压力引起的总的轴向力，n f a 一预紧状态下，需要的最小垫片压紧力，n f 。一操作状态下，需要的最小垫片压紧力，n w a 一预紧状态下，需要的最小螺栓载荷，n w d 一操作状态下，需要的最小螺栓载荷，n 厶一需要的螺栓总截面积，取a o 与a p 之大者，衄2 4 一预紧状态下，需要的最小螺栓总截面积，衄2 么。一操作状态下，需要的最小螺栓总截面积，衄2 以一实际使用的螺栓总截面积，衄2 仃，一法兰环的切向应力，m p a ； 仃一法兰颈部轴向应力，m p a ； 仃。一法兰环的径向应力，m p a ； y 一系数，由g b l 5 0 1 9 9 8 表9 - 5 或图9 - 8 差得； m o 一法兰设计力矩，n 衄 仃1 ：一设计温度下法兰材料的许用应力，m p a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签 名： 范诅 日 期： 丝! 壁：五兰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件书磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容争纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 装。敦 导师签名： e l 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 法兰和法兰失效 1 1 1 法兰简介 法兰连接是石油化工设备、压力容器和管道中最常用的可拆卸连接形式。管道法兰 ( 简称管法兰) 是管道系统中应用最广的一种可拆连接接头，同时又是一种承受压力的 密封元件。在管道系统中，法兰和管子直接相连或与泵、阀、机等管道设备的进出口管 子相连接，并要求其连接具有可靠的密封性和足够的强度。通常法兰本身和密封垫片及 连接螺栓三者组合成密封结构作为管道连接件，并使之成为庞大管网系统的基本构件， 已广泛应用于现代化管道工程上。据统计，单在石油化工工业中，仅一个大型炼油厂的 法兰接头总数就达到2 0 万个以上n 别。 法兰连接的作用是通过螺栓和垫片的连接和密封，保证可连接处不会发生损坏或泄 漏h 1 。法兰的主要作用可以归纳以下几点： a 连接管路并保持管路密封性能； b 便于某段管路的更换； c 便于拆卸并检查管路情况； d 便于某段管路的封闭； e 法兰端盖有防尘和固定的作用。 法兰连接不是一个孤立的部件，它是一个 “法兰螺栓连接系统 ，其中包括法兰对、螺 栓、螺母和垫片( 如图卜1 所示) 。容器和封 头或接管与外管道通过法兰用螺栓连接在一 起，通过拧紧螺栓，增加法兰和垫片之间的压 紧力，使垫片表面产生塑性变形或弹性变形， 阻塞了容器内流体或气体介质可能外流的通 道，从而保证连接处密封不漏，实现密封的目 的。 压力容器与压力管道法兰根据压力、温 度、介质危害程度的不同，需要选用不同结构、 不同类型的法兰阻5 j 。 ( 1 ) 按密封面的结构形式分( j b 4 7 0 0 一- 4 7 0 3 ) ： 图1 - 1 法兰连接系统 f i g 1 1f l a n g e - b o lts y st e m 江南大学硕士学位论文 平面( f f ) 如图卜2 ( a ) 两个法兰的密封面都加工成突起的平台；有时，在突 起密封面上可车制水线( 数条同心圆的三角形沟槽) ，以利密封，适用于压力不高、介 质无毒的场合； 凹凸面( m f ) 如图1 - 2 ( b ) 一对法兰，一个做成凹形，并在其中放置垫片，另 一个做成凸形，且凸面高度略大于凹面深度，适用于压力稍高的场合； 榫槽面( t g )如图1 - 2 ( c ) 由一个榫面和一个槽面相配合组成。可使垫片少受 流体介质的冲刷和腐蚀，适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的场合。 一_ l j r l l 蓬 r 萝 - ( a ) 平面( f f )( b ) 凹凸面( m f )( c ) 榫槽面( t g ) 图1 - 2 法兰密封面型式 f i g 1 2f l a n g ef a ci n gt y p e s 其密封效果以榫槽面最佳，平面最差，但榫槽面加工困难，成本比较高。 ( 2 ) 按结构形式分类： 整体法兰，如图1 - 3 所示。法兰、法兰锥颈和容器或接管三者能有效地连接成一 整体结构。刚度和强度都比活套法兰高，常用于压力和温度较高，设备直径较大，重要的 场合。常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。 r 匿 多 乏 广- 蓦 ，j e ( a )( b )( c ) 图1 - 3 整体法兰( 卜筒体2 一法兰环3 一锥颈) f i g 卜3i n t e g r a lf l a n g e ( 1 一t u b e2 - f l a n g er i n g3 - c o ll a r ) 活套法兰，如图1 - 4 所示。法兰不直接与容器或管子连接，而是把法兰套在容器 或接管的外面，用螺栓紧固，或虽然固定而不能保证法兰与壳体作为一个整体承受螺栓 载荷的结构。 活套法兰不使设备产生附加应力，对用软金属制造的薄壁容器特别适宜。同时，如 2 第一章绪论 在有色金属容器上采用碳钢活套法兰，还可节省贵重金属，提高法兰连接强度和刚度。 活套法兰主要用在低压场合。 瞻酞 f r 藿l r i乡心盥 i 1 图1 - 4 活套法兰 f i g 1 4l a pj o i n tf l a n g e ( l j f ) 任意式法兰，如图卜5 所示。其特点是将法兰环镶在筒体或接管上，并先在法 兰环上开好坡口，然后将二者焊在一起。这种法兰有较大的强度和连接刚度，其设计计 算与整体法兰一样，但为了简便，当满足瓯 6 4 衄时，b = 2 5 3 6 0 = 7 6 4 m m 2 、垫片压紧力作用中心圆直径珑( 衄) 对于活套法兰，谚即是法兰与翻边接触面的平均直径。珥= 1 0 9 2 5 咖 3 、垫片压紧力 a ) 预紧状态下需要的最小垫片压紧力c ( n ) 只= 3 1 4 玖6 y = 3 1 4 1 0 9 2 5 7 6 4 2 8 = 7 3 3 8 4 2n b ) 操作状态下需要的最小垫片压紧力只( n ) c = 6 2 8 纯6 叩。2 6 2 8 1 0 9 2 5 1 2 5 x1 = 6 5 5 2 1 6n 扛南大学硕士学位论文 4 、螺栓载荷 a ) 预紧状态下需要的最小螺栓载荷矽( h ) 配= 只= 31 4 d g 如2 7 3 3 84 2n 预紧状态下，单个螺栓需要的最小螺栓载荷 = 9 1 7 3 0n 。d n 8 0 型螺栓个数为8 b ) 操作状态下需要的最小螺栓载荷暇( n ) k = f + c = 仉7 8 5 磋n 十6 2 8 见 吼2 1 5 9 2 15 8 n 操作状态下，单个螺栓需要的最小螺栓载荷勺= 1 9 9 02 0 n 冲压法兰1 1 种型号的螺栓载荷计算结果见表2 - 2 。 t a b2 - 2l o a d so fp r e s s e dl o o s ep i p ef l a n g e 第三章冲压法兰有限元分析 第三章冲压法兰有限元分析 3 1 有限元分析方法简介 3 1 1 有限元分析方法简介 有限元分析( f e a ，f n i m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 澍2 4 】是力学、计算数学及计算机等 学科综合体系所提供的结构应力分析方法。它以最小势能原理为基础，通过对结构进行 离散( 划分网格) ，形成单元刚度矩阵和右端项( 载荷项) ，并以适当的方法解方程，求 出节点的位移和应变，最后计算结构应力的一种方法。这种方法的基本思想，是把连续 的弹性体分割成仅在节点处相连的有限个单元，并以此来代替原来的连续弹性体，然后 建立单元组合体的支配方程一节点平衡方程( 位移法) 和位移协调方程( 力法) ，并求 解。有限元法适用性很强，由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以 有不同的形状，因此有限元法可以模拟几何形状复杂的求解域，还便于处理非均质材料、 非线性应力一应变关系以及复杂的边界条件等难题。在工程技术领域内，对于一些载荷 和结构复杂的对象，用常规的方法是难于准确计算其应力的，就需要用有限元的方法进 行应力分析计算。有限元分析方法是已经成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算 方法。 近三十年来有限元的理论和应用得到迅速的、持续不断的发展。已经由弹性力学平 面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平面问题扩展到稳定问题、动力问题和波动 问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等。从固体力学扩展到流体 力学、传热学等连续介质力学领域。 有限元作为一种数值分析的方法，为复杂形状的结构分析及过程分析提供了一种精 确可靠的手段，在当今各个设计、生产、制造等不同工程应用领域中广泛使用，在工程 分析中的作用己从分析和校核扩展到优化设计，并成为计算机辅助工程中的一个重要部 分【2 5 1 。 3 1 2a n s y $ 有限元软件简介 1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士洞察了计算机辅助工程商品化的发展，于是创建了 a n s y s 公司，总部设于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，目前它是世界c a e 行业最大的公 司。3 0 年来，该公司把握了有限元软件发展的方向，使其在同行业中一直处于领先地位。 a n s y s 软件最初的版本仅仅提供了热分析和线性结构分析功能，是一个批处理程 序，且只能在大型计算机上使用。随着2 0 实际7 0 年代初非线性、子结构和更多的单元 类型的加入，以及2 0 世纪7 0 年代末，图形技术和交互式操作方法的应用，a n s y s 软 件得到了很大的改善，前后处理技术进入了个新的阶段。 今天，a n s y s 软件已是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件。它融结 构、热、流体、电磁、声学于一体，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 1 9 江南大学硕士学位论文 机械工程、土木工程、汽车交通、能源、电子、国防、地矿、水利、日用家电等工业及 科学研究。该软件提供一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、 电磁分析、计算流体动力分析、优化设计、接触分析、自适应性网格划分、大应变有限 元转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言( a p d l ) 的扩展宏命令功能。进行产品设 计时，使用a n s y s 软件对产品性能进行仿真分析，可以发现产品问题，降低设计成本， 缩短设计周期，提高设计的成功率。 早在1 9 9 5 年，a n s y s 就通过了i s 0 - - 9 0 0 1 质量标准认证，并以其强大的求解功能 和可靠性于同年1 0 月通过了我国全国压力容器标准化技术委员会的严格考核，成为与 我国压力容器分析设计标准j b 4 7 3 2 相适应的有限元分析设计软件。由于分析质量可靠， 在许多研究和产品开发中已可采用这种有限元分析来代替许多过去必须的中间实验，大 大节约了开发时间和资金。 本论文正是利用a n s y s 强大和准确的非线性求解功能对法兰主要部件进行分析和研 究的。 3 2 冲压法兰有限元分析建模 在各种机械机构中，螺栓连接是一种简单而普遍的连接形式。研究螺栓连接的历史 悠久，一个世纪以来，各种科研机构均对其进行过深入细致的研究，多采用两种常用的 方法：理论解析法和有限单元法。由于理论解析法要对结构进行简化，忽略了结构中许 多非线性因素影响，如螺栓连接结构的螺栓预紧作用和被连接法兰面之间的接触等非线 性行为均不能模拟，分析的结果误差较大。a n s y s 强大的非线性分析功能使得法兰整 体分析成为可能【2 6 ，2 7 1 。 本章以d n 8 0 型冲压法兰为例，通过g u i 操作建立法兰接头的三维有限元模型，并 对法兰设备做了强度分析【2 8 , 2 9 , 3 0 。所研究的法兰接头模型主要包括：法兰盘、翻边短节、 封头、螺栓、螺母。本论文在建立模型时考虑了法兰材料具有非线性性质，模拟了法兰 接头的几何结构，重点分析了法兰盘、翻边短节的应力状态。本文建立的分析模型比较 接近于实际情况，分析结果具有真实性，因此也具有工程参考价值。 3 2 1 冲压法兰的几何模型 3 2 1 1 冲压法兰的几何结构 选用d n 8 0 衄、p n l o m p a 、设计温度1 5 0 冲压法兰为例，冲压法兰螺栓连接系统 的几何结构见图2 1 所示，由于冲压法兰的上下连接具有对称性，所以只给出了上半部 分一法兰盘与翻边短节连接的示意图。图3 1 表示了法兰盘与翻边短节连接的几何结构。 法兰盘的厚度为5n l i l l 、高度1 8 衄、外径1 9 5 锄、内径9 5 衄、螺栓孔中心直径1 6 0 衄、 8 个直径为1 8 衄的螺栓孔，翻边短节的厚度为3m m 、高度为1 5 咖、外径1 3 5 锄、颈部 内径为8 9 衄，材质均为i c r l 8 n i 9 t i 的奥氏体不锈钢。固紧螺栓为m 1 6 ，个数为8 ，密封 第三章冲压法兰有限元分析 面型式为全平面，其模型尺寸如表3 1 所示。冲压法兰螺栓连接系统承受的内压( 公称 压力) p n = i m p a 。 凰3 - i 法兰设计足寸 f i g3 - id e s i g ns i z e so fp r e ss e df l a u g e t a b3 一ld l o n o f f l a n g ej o i m 3 2 1 2 模型范圈的选取 由于冲压法兰螺栓连接系统结构、载荷和约束都是周期对称结构，所以为了减少计 算工作量，模型范围的选定，主要是根据结构的周期对称性选定的”“1 。利用其对称性， 可从整个冲压法兰结构中取两个对称面截出八分之一的冲压法兰结构来建立有限元模 型。两个对称截面的选取是依据冲压法兰螺栓的个数进行等分，并且要保证螺栓所在的 轴线在所选取模型的对称面内。模型中包括了两截面问的螺栓、上下螺母、上下法兰盘、 上下韧边短节。由于翻边短节与压力管道平焊或对焊，为了便于施加边界条件，模型根 据秘边短节与压力管道对焊的情况建立。相对于法兰来说，可以认为压力管道是无限长 的，因此只需要在翻边短节与压力管道焊接的面上施加轴向的位移约束。 分析有限元几何模型如图3 - 2 所示。 江南大学硕士学位论文 崮3 - 2 冲压涪兰三雏有限元模型 f ig 3 - 23 1 ) n s y sm o d e lo fp r o s s e df l a n g e 3 2 2 单元类型的选取 选取合适的单元类型，在利用有限元对问题进行分析时是非常重要的。冲压法兰模 型中，冲压洼兰采用s o l i d l 8 6 结构实体单元，螺栓螺母采用s o l i d 4 5 结构实体单元， t a p g 1 7 0 目标单元、c o n t a l 7 4 接触单元和p p d ! t s l 7 9 螺栓预紧单元，下面分别对各 单元特点进行介绍。 ( 1 ) s o l i d l 8 6 结构实体单元 s o l i d l 8 6 是一个高阶3 维2 0 节点固体结构单元，s o l i d l 8 6 具有二次位移模式可以 更好的模拟不规则的网( 例如通过不同的c a c a m 系统建立的模型) 。单元通过2 0 个节 点来定义，每个节点有3 个沿着x y z 方向平移的自由度。s o l i d l 8 6 可以具有任意的空问 各向异性，单元支持塑性，超弹性，蠕变，应力钢化，大变形和大应变能力，并具有初 始应力导入、自动单元选择的特殊功能。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料 和完全不可压缩超弹性材料。压力可作为面力加载在如图3 - 3 所示，带圆圈所指的单元 面上，正的压力指向单元的内部。该单元的具体形状和坐标以及退化单元见图3 - 4 ，单 元可以退化为四面体、楔型、金字塔型。 第三章冲压法兰有限元分析 f p n s mq 吨a n ) 图3 - 3s o l i d l 8 6 单元 f i g 3 - 3s 0 1 i d l 8 6e 1 e m e n t 在预紧和加内压载荷的相继作用下，冲压法兰螺栓系统整体将发生弹性、塑性变形， 同时由于结构的几何非线性，将发生大变形和大应变。同时为保证计算结果比较精确， 因此法兰盘、翻边短节部分采用高阶的s o l i d l 8 6 实体单元来模拟。 ( 2 ) s o l i d 4 5 结构实体单元 。 s o l i d 4 5 单元，对于单元刚度矩阵和应力应变计算以较少占用c p u 运行时间和达到 较高的精度，是用于模拟三维实体结构的通用单元，由8 个节点定义而成，每个节点具 有3 个自由度( 分别是u x 、u y 、u z ) 。该单元适合于进行弹性、蠕变、膨胀、应力硬 化、大变形。大应变的分析，具有退化功能，可退化为五面体和四面体，便于生成复杂 结构单元网格。该单元的具体形状和坐标以及退化单元见图3 - 4 。 。 模型中的螺栓，在预紧和内压载荷的相继作用下，将发生弹性、塑性变形，同时由 于螺栓的几何形状和划分规则的网格，对螺栓、螺母采用s o l i d 4 5 实体单元进行网格划 分。 图3 - 4 s o li d 4 5 单元 f i g 3 4s o l i d 4 5 e 1 e m e n t j 了戡缯撕嬲lo 茹数a n 舟联i 卷0 铂韵豺碑舟盘毫园 融 舯 浅 擎舔 江南大学硕士学位论文 ( 3 ) c o n t a c 7 4 面面接触单元和t a r g l 7 0 目标面单元 c o n t a c1 7 4 是一个8 节点单元，用来分析刚性体一柔性体、柔性体一柔性体之间接 触。在一般的接触分析中，两个体或两个以上体之间的接触面是不知道的。c o n t a c1 7 4 单元可以用于三维分析，可以用于实体与壳体之间的接触。 c o n t a c l 7 4 单元和t a r g l 7 0 单元构成接触副，来模拟三维面的接触。该单元在每个 节点处具有三个自由度( u x 、o y 、u z ) 。该单元是附着在s o l i d l 8 6 等三维结构单元或者 壳体单元上的，并且与所附着的单元具有相同的几何特性。当接触单元面穿透由t a r g l 7 0 单元定义的目标面部分的单元时发生接触。c o n t a c l 7 4 单元允许库伦摩擦和剪切力摩 擦的产生。该单元的具体形状及坐标见图3 - 5 。 - - s 5 a t e dh r 鲫, q o r m e e * 一 ， 、 ：- ”。 x ， 脊 爹8 骖 图3 - 5c o a t a c l7 4 单元 f i g3 - 5c o n t a c l 7 4e l t 翻边短节和垫片的接触以及螺母和法兰盘的接触状况都是采用c o n t a c l 7 4 与 t a r g l 7 0 单元构成的接触副来模拟的。在定义接触面时，尤其要注意接触面的法线方向， 应该使目标面和接触面的法线相向。 ( 4 ) 螺栓预紧单元p r e t s l 7 9 p r e t s l 7 9 被用来定义在己网格化结构的二维或三雏预张紧区域结构可以由任意二 维或三维单元( s o l i d ，b e a m ，s h e l l ，p i p e ，o fl i n k ) 所建立。p r e t s l 7 9 单元有一个位 移自由度u x ( u x 代表被定义的预张紧方向。a n s y s 内部转换问题的几何使得预张紧力作 用在预张紧载荷方向上，而不管模型如何被建立。 冲压法兰螺栓连接系统中螺栓预紧情况采用螺栓预紧单元p k e t s l 7 9 模拟。该单元 的具体形状及坐标见图3 - 6 。 第三章冲压法兰有限元分析 图3 - 6p r e t s l 7 9 单元 f i g 3 - 6p r e t s l7 9e l e m e n t 3 2 ，3 材料特性 法兰接头中各元件的材料可分为线弹性和非线弹性两种。除了垫片以外的各接头元 件，在本文中都假设为线弹性材料，其数据见表3 - 2 。 t a b 2m a l e r i a lp r o p e r t i e s o f c o m p o n e n t s 垫片加载和卸载都具有明显的非线性在本文中主要研究的对象是法兰盘的s t r e s s i n t e n s i t y ( 应力强度) ，是由第三强度理论得到的当量应力。垫片的变形对法兰盘的应 力计算和变形的影响可以忽略，因此，建模时未建立垫片实体模型，而是通过翻边短节 对间的接触副来模拟垫片的作用呱3 3 蚓。 3 2 4 遵齐务件与栽荷 有限元分析主要就是定量分析结构或构件对某种载荷和边界条件的响应，定义正确的 载荷、施加正确的边界条件以及如何使用正确的加载方式是获得正确结果的关键 3 5 , 3 日。 因此，本文在确定边界条件及载荷施加时，特别考虑了法兰接头的实际工况使分析在 合理简化的条件下，能够尽量精确模拟实际工况过程中的边界条件及加载过程鲫。 l 江南大学硕士学位论文 1 边界条件 ( 1 ) 在有限元模型的两个对称平面上施加面对称约束，约束这两个平面上的节点的周 向位移，即在圆柱坐标系中该边界处有u z = 0 。 ( 2 ) 为了限制冲压法兰螺栓结构的整体刚体位移，在翻边短节与压力管道对焊的平面 上施加面轴向固定约束，在柱坐标系中u v = 0 。 ( 3 ) 法兰接头简体内表面，为压力边界条件，承受内压。 2 载荷 本课题目前的分析考虑了两个载荷阶段：第一阶段为螺栓预紧加载阶段，螺栓预紧 力由零增加到工作条件下所需要的预紧力；第二阶段为施加内压阶段，翻边短节承受内 压阶段。 预紧工况时的载荷是给冲压法兰施加的螺栓预紧力，采用a n s y s 中提供的螺栓预 紧单元p r e t s l 7 9 可以方便地给螺栓施加指定的预紧载荷。螺栓预紧力的大小是通过 g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器计算所得。d n 8 0 型所需要的单个螺栓预紧力为1 9 9 0 2 n 。 加内压工况时的载荷是给翻边短节的内表面施加1 m p a 的内压。 因为本分析既有几何的非线性，又有材料的非线性，为确保计算收敛并获得足够精 确的计算结果，载荷是通过逐渐递增的载荷增量r a m p 方法施加的，即在施加螺栓预紧 力阶段通过多个子载荷步将施加的预紧力逐渐加到预定的值，然后再通过多个子载荷步 将施加的内压从零逐渐增加到公称压力。 子载荷步的步长的确定和非线性迭代次数的确定【3 4 , 4 0 方面要保证收敛，另一方面 要保证计算有适量的精确度，所以要通过试算来最终确定子载荷步的步长和平衡迭代次 数。 3 2 5 有限元模型的生成 创建有限元几何模型有两种方法：实体建模和直接建模。实体建模时，首先生成几 何实体，再根据需要，控制单元划分参数，由a n s y s 自动划分网格生成单元和节点。 这种方法创建模型快速，适合在模型很大，并且较复杂时使用。另外一种方法是直接建 模法，即通过定义节点，生成单元，自动生成网格，生成实体。这种直接生成的方式对 于要特别分析的位置上的节点和单元更容易掌握和选取，对于形状较规则的模型来说， 用直接法建模方便。本论文的有限元几何模型通过实体建模生成，见图3 - 2 。 根据选取的集合形状的特点，总体坐标系采用柱坐标，以法兰盘和翻边短节的中心 轴线为z 轴，取中心轴线的上方为z 轴正向；x 表示径向，由法兰中心向外的方向为正 方向；y 表示周向，其正方向由x 、z 正向按右手定则确定。 由于法兰盘和螺栓螺母结构比较复杂，所以将法兰盘分为几个部分，采用体扫掠的 方法进行网格划分，这样划分的网格既有规律又美观，相对于自由网格划分，计算也比 较精确。 翻边短节对之间，螺母和法兰盘之间的接触对单元使用1 7 4 接触单元和1 7 0 目标单 元生成。 2 6 第三章冲压法兰有限元分析 3 3 冲压法兰三维有限元分析 3 3 1 冲压法兰连接分析概述 在本节中，主要是对在3 2 1 1 中选定的d n 8 0 型冲压法兰，采用三维有限元方法进 行详细的分析。d n l 5 型、d n 2 0 型、d n 2 5 型、d n 3 2 型、d n 4 0 型、d n 5 0 型、d n 6 5 型、d n l 0 0 型、d n l 2 5 型、d n l 5 0 型用同样的方法建立三维有限元分析模型。本课题 研究的重点是冲压法兰在工作条件下是否满足应力强度的要求。即判别法兰盘和翻边短 节的最大当量应力是否小于等于许用应力。 分析用的d n 8 0 型有限元模型已经在3 2 节中作了详细的说明。在这里需要说明的 是：( 1 ) 分析中载荷确定的原则；( 2 ) 分析结果查看的原则。 ( 1 ) 分析中载荷确定的原则； 螺栓预紧载荷是根据g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器计算所得。选用的是操作状态 下需要的最小螺栓载荷w p ，d n 8 0 型可以计算如下： = f + c = o 7 8 5 d 虽p c + 6 2 8 d c b m p 。= 7 3 3 8 4 2n i i ， ， 操作状态下，单个螺栓需要的最下螺栓载荷”p = 1 9 9 02 n ， 详细的计算方法和计算步骤请参考第二章的内容。 此螺栓预紧载荷的子步数经试验取3 0 ，迭代次数取为2 5 ，如果还不收敛取4 0 。 ( 2 ) 分析结果查看的原则； s t r e s si n t e n s i t y ( 应力强度) ，是由第三强度理论得到的当量应力；v o nm i s e s 是一种屈服准则，屈服准则的值我们通常叫等效应力。a n s y s 后处理中”y o nm i s e s s t r e s s ”我们习惯称m i s e s 等效应力，它遵循材料力学第四强度理论( 形状改变比能理 论) 。 第三强度理论认为最大剪应力是引起流动破坏的主要原因，如低碳钢拉伸时在与轴 线成4 5 度的截面上发生最大剪应力，材料沿着这个平面发生滑移，出现滑移线m 列。这 一理论比较好的解释了塑性材料出现塑性变形的现象。形式简单，但结果偏于安全。第 四强度理论认为形状改变比能是引起材料流动破坏的主要原因。结果更符合实际。 一般材料在外力作用下产生塑