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标准管道法兰数据库系统的研究 摘要 在对法兰常规强度计算方法探讨的基础上，本文对我国钢制管法兰强度计 算方法的计算程序按数据库设计的要求进行重新整理和归纳，并以最新版2 0 0 0 法兰国家标准为基本数据库，结合法兰强度计算的有限元分析方法，建立了标 准管道法兰数据库系统。 本文完成了系统的方案设计、程序结构设计、法兰基本数据的数掘库设计、 系统六大模块的程序设计和用户界面设计等工作。系统在具备法兰基本数据、 技术要求等进行查询、检索的前提下，实现了法兰常规强度校核的系统化、规 范化、自动化，同时将法兰有限元分析处理和数据库系统有机结合，实现了法 兰有限元分析的批处理。系统的建立，大大简化了手工设计计算的强度，同时 提高了计算的准确性，避免了人工计算的主观因素。 关键词：法兰数据库强度计算有限元 t h er e s e a r c ho nt h ed a t a b a s e s y s t e mo fs t a n d a r dp i p ef l a n g e a b s t r a c t 】3 a s e do ne x p l o r i n gt h em e a n sa b o u tc a l c u l a t i n gf l a n g e sg e n e r a ls t r e n g t h ，t h js p a p e r r e c o n c i l e dt h e c a l c u l a t i n gp r o g r a ma b o u tc h i n e s es t e e l i n e s sp i p ef l a n g e 、s s t r e n g t hc h e c k i n gu n d e rt h er e q u e s to f t h ed e s i g na b o u td a t a b a s e ，a n du s j n gt h eu p t od a t an a n g ec “t e “o na sb a s ed a t a b a s e ，c o m b i n i n gt h et e c h n i q u eo ff e a ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) t oc h e c kt h es t r e n g t ho f f l a n g ea c c o m p n s h e d t h ed a t a b a s es y s t e m o fs t a n d a r dp i p ef 1 a n g e t h i sp a p e rh a sf i n i s h e dt h ep r o j e c td e s i g no ft h es y s t e m 、s t r u c t u r ed e s i g no f t h ep r o g r a m 、d a t a b a s ed e s i g no ft h eb a s ef l a n g ed a t a 、 p r o g r a ma n da p p e a r a n c e d e s i g n o ft h e s y s t e m s s i xm o d u l e se t c u n d e rt h e p r e m i s e o f i n q u i “n g a n d s e a r c h i n gn a n g e b a s ed a t aa n d t e c h n i q u e ， 也i s s y s t e m a c h j e v e d s y s t e m a t i c 、 s t a n d a r d i z i n g 、 a u t o m a t i ct h ef l a n g eg e n e r a ls t r e n g t hc a l c u l a t i n g s i m u l t a n e o u s l y ， u n i t e dt h ef l a n g ef e a a n a l y s i sa n dt h es y s t e mo fd a t a b a s eo r g a n i c a l l y ，a c h i e v e d b a t c hf l a n g ef e aa n a l y s i s s u c c e s s f m l yb u i l dt h i ss y s t e m ，w h i c hs i m p l i f i e dt h e m a n u a lp r o j e c tw o r kg r e a t l y ，a n da d v a n c e dt h ev e r a c i t yo f c a l c u l a t i n g ，a n da v o id e d t h es u b i e c “v ef a c t o r so f m a n u a lc a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：f l a n g e ，d a t a b a s e ，s t r e n g t hc a l c u l a t i o n ，f e a 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 揣柱凄 委员2 坝f 乘 多 如氏 、- _ 一 囊镌 导师： 箩 合| i 巴砂媸面教授 乳绎 绺 l 插图清单 图2 1 不带颈松套法兰的力学模型 图2 2 平焊或高颈法兰力学模型 图2 3 法兰内力与应力图 图24 法兰型式， 图2 5 法兰简化力学模型 图2 6 法兰环或壳体的弹一一塑性应力分布 图2 7 对焊法兰 图2 8 平焊法兰 图2 9 松套法兰 豳3 一lo d b c 连接数据源原理图 图3 2 法兰系统的数据流程图 图3 3 法兰各实体之间的e r 图 图4 1 法兰主要功能模块， 图4 2 用户登录窗口 图4 3 数据维护验证窗口 图4 4 用户密码修改窗口 图4 5 法兰类型选择主界面 图4 6 钢法兰类型选择界面 图4 7 铸铁法兰类型选择界面 图4 8 铜合金及复合法兰类型选择界面 图4 9 规格选择界面 图4 一l o 规格选择界面的菜单， 图4 1 1 公称压力选择菜单 图4 一1 2 数据维护菜单 图4 1 3 强度计算菜单 图4 1 4 有限元分析菜单 图4 一1 5 强度计算方法a 。， 图4 一1 6 强度计算方法b 图4 1 7 计算结果的打印预览页面 图4 一1 8 类型选择流程图 图4 一1 9 规格界面使用流程 图4 2 0 强度计算界面使用流程 图4 2 l 数据库系统操作流程图 图5 一l 理想法兰模型 7 8 8 14 17 17 2 1 2 1 2 1 2 5 2 6 2 8 3 4 3 4 3 4 3 5 3 6 3 6 3 7 3 7 3 8 3 8 3 9 3 9 3 9 3 9 4 1 4 2 4 4 4 6 4 6 4 7 4 7 5 0 理想模型的有限元力学模型 简化法兰模型 简化法兰模型的有限元力学模型 理想模型的计算结果， 简化法兰计算结果， 后处理工具条， 查看有限元结果界面， 输出有限元分析参数化文件界面 矾趴弛孙舶盯即 2 3 4 5 6 7 8 9 卜p铲铲铲弘卜弘 图图图图图图图图 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表3 一】 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表5 一l 表格清单 垫片基本密封宽度， 挚片性能参数， 操作状态下法兰载荷的力臂 垫片系数 金属孰片材料的变形阻力k 。和， 操作状态下法兰载荷的力臂 p n o 2 5 m p a 平面一一突面对焊钢制管法兰规格表 p n 2 om p a ( 2 0 b a r ) 平面、突面对焊钢制管法兰规格表 法兰挚片系数表 法兰材料特性表 r e c o r d s o u r c e t y p e 属性的设置值及含义 参数设置表 ”均加趴加钉仰矾 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究：作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得盒壁互些鑫堂或其他教育机构的学位或 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竹了 明确的说明并表示谢意。 粼姗躲物柙嘶蝴期：撕年帕2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了织金照工些_ 人堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒筵王些叁堂可阻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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢桫士呷7 嘭 签字日期汐哆年牛月日 茎舞釜差鞴酱釉睇稻印嘶工作单位：中园蚂料馊岬邸卅 通讯地址： 导师签名 签字眦球年月刁日 电话 邮编 致谢 首先，谨向我的导师柯尊忠教授表示最诚挚的感谢! 两年多来，柯老师对我严格要求，不仅教导我如何在科研的道路上取得进 步，更重要的是老师用自己的身体力行来教导我如何做人。“学高为师身正为 范”，老师渊博的知识，严谨的治学态度，忘我的敬业精神时刻都在激励我奋发 向上。 特别感谢我的堂兄杨志轶博士给我的帮助和指导。此外，还要感谢机设教 研室的黄康老师在我程序编写过程中提供的帮助，翟华老师对我平常学习的指 导，还有在我求学过程中帮助过我的同学和朋友们。 最后，我要感谢我的父母家人以及所有曾经帮助过我的亲人。 作者：杨柳彬 2 0 0 5 年4 月 第一章概述 为了满足管网系统在制造、安装、运输、检修和操作等方面的要求，管 网系统常由儿个部分联接在起，在连接处，必须满足下述条件： ( 】) 保证管网系统不泄露： ( 2 ) 具有足够的强度： ( 3 ) 拆卸和装配方便，有些连接因操作要求，还应允许多次拆卸和装配； ( 4 ) 成本低，适用于批量生产。 在所有密封连接中，法兰连接能较好的满足上述要求2 1 ，因此管路法兰广 泛应用于机械、水利、石油、船舶、化工、轻工等众多行业，它和垫片、螺 栓共同组成一个密封接头体，起着连接管子、泵、阀、压力容器、各种承压设 备并使之构成庞大管网系统的重要作用3 1 。由于法兰连接用途广，数量大，种 类多，为设计和使用方便及具有良好的互换性，国内外对常用的法兰制定了相 关标准。 1 1 国内外法兰标准概况【4 】1 5 】f 6 1 1 1 国外法兰标准 目前国际上同时存在两个不能相互代替的法兰系列。一是以德国法兰标准 ( d i n ) 为代表的法兰系列即“欧洲法兰标准体系”，包括德国、前苏联、法 国等国家的国家标准。二是以美国法兰标准( a n s i ) 为代表的法兰系列，即“美 洲法兰标准系列”，包括英国、法国、日本、前苏联等国家的国家标准。两个 体系的理论基础完全不同，欧洲法兰体系是基于塑性极限载荷分析的方法，而 美洲法兰体系是基于弹性分析的方法。由于两个体系法兰的互相不可替代性， 因此在国际标准( i s 0 7 0 0 5 一一1 ) 中，也同时包含了美洲和欧洲两个体系的法 兰，只不过将欧洲法兰系列限制在p n 4 o m p a 以下，美洲法兰系列则全部被推荐 使用，这主要是考虑到美洲法兰系列结构合理、强度高、刚性好、密封性能也 相对较好，相比之下，欧洲法兰系列强度、刚性都较差，从而影响到法兰的密 封可靠性。 1 1 2 国内法兰标准 化工部于1 9 5 8 年颁布了我国的第一部法兰标准，即h g5 0 0 1 5 0 2 8 5 8 管法兰 标准，一机部于1 9 5 9 年颁布了j b 7 4 9 0 一一1 9 5 9 法兰标准。但是，真正意义上的 国家法兰标准是1 9 8 8 年颁布的g b t 9 1 1 2 9 1 3 1 一一1 9 8 8 国家法兰标准，它是参 照i s o d i s7 0 0 5 1 而制定的，其中包含了美洲和欧洲两个体系的法兰。2 0 0 0 年 参照i s 0 7 0 0 5 1 1 9 9 2 的正式版本对1 9 8 8 年国标进行了较大的增补和补充，颁布了 2 0 0 0 版的国家法兰标准：g b t 9 1 1 2 9 1 2 4 一一2 0 0 0 。目前我国的法兰标准概况 如下： ( 】) 国家标准 g b t 9 1 1 2 9 1 2 4 一一2 0 0 0 钢制管法兰系列标准，包括法兰尺寸标准3 1 个，法兰型式与参数、法兰技术条件标准各1 个，共3 3 个标准，替代了 g b t 9 1 1 2 9 1 2 4 1 9 8 8 和g b t 9 1 2 5 一一1 9 8 8 共计1 6 9 个标准。 本标准中的p n o 2 5 、p n 0 6 、p n l o 、p n l 6 、p n 2 5 、p n 4 0 、p n 6 3 、p n l 0 o 和p n 】6 o m p a 法兰尺寸属于欧洲法兰体系；p n 2 0 、p n 5 o 、p n l l 0 、p n l5 o 、 p n 2 6 0 和p n 4 2 o m p a 法兰尺寸属于美洲法兰体系；这些法兰尺寸均与欧洲和美 洲相应压力等级的法兰尺寸互换。 ( 2 ) 化工行业标准 h g 2 0 5 9 2 2 0 6 3 5 一一1 9 9 7 钢制管法兰、垫片、紧固件系列标准，本标 准的特点是将欧洲体系和美洲体系分为两大类别，分别制定了相应的法兰尺_ j 、 技术条件、压力一温度等级、焊接接头和坡口尺寸以及配套使用的垫片、紧固件 标准：除此之外还制定了钢制管法兰、垫片紧固件选配规定，美洲体系中 编入了属于大直径钢制管法兰的内容。与现行国家标准比较，其在欧洲体 系中加入了p n 2 5 0 m p a 的压力级，所有法兰尺寸同样与欧洲和美洲相应压力等 级的法兰尺寸互换。 ( 3 ) 石化行业标准 s h 3 4 0 6 一一1 9 9 6 石油化工钢制管法兰系列标准，其相对国标和化工行 业标准而言，类型较少，体系比较单一。其主要特点为：钢管外径采用与英制 尺寸相似并圆整为整数的单一尺寸系列：法兰尺寸和压力等级为单一的美洲体 系；包括了大直径法兰的内容。 ( 4 ) 机械行业标准 j b t 7 4 8 6 2 一一1 9 9 4 管路法兰系列标准，仅适用于公制管的连接， 这主要是参照前苏联的法兰标准并考虑国内的钢管使用习惯及供应情况而制定 的。 1 1 3 国内外法兰标准的关系 国内法兰标准采用的参考标准均为i s 0 7 0 0 5 1 、d i n 法兰标准和a n s i b 1 6 5 ( 石化标准包括a n s ib 1 6 4 7 ) 标准，只有机械工业标准采用的是苏联法兰标准， 但也属于欧洲法兰体系。因此各标准之间的替换性和标准法兰的互换性非常明 显。 我国的国家法兰标准是在化工行业标准的使用基础上，吸取了其优点，完 善了其整体结构修订的。两个标准尽管编写格式不同，但标准中的法兰型式、 尺寸、技术要求、压力温度等级基本一致或等同。 l 。2 国内外法兰设计概况i m 法兰设计需要解决两个最基本的问题： ( 1 ) 连接件具有足够的强度； ( 2 ) 保证整个操作过程中不产生泄露。 法兰连接件强度通过力学模型的计算，一般较容易满足要求。而法兰连接 密封则取决于法兰的制造质量、密封件的选取、螺栓的选取及整个密封系统的 装配质量。即使是同一批产品，其质量差异及装配状况都对密封性能有很大的 影响。因此，严格地说，密封计算只能是近似的。 1 2 1 国内外法兰设计方法 经历近一个世纪的研究发展，迄今法兰的设计分析方法不下十余种。就它 们所依据的理 仑基础，可以概括地分为以下三类： ( 1 ) 基于材料力学的简单方法； ( 2 ) 基于弹性分析的方法； ( 3 ) 基于塑性分析的方法。 目前，国内外法兰设计普遍采用的有两种方法。一种是以极限载荷为依据 的极限载荷设计法，适用于钢和其它塑性材料的设计计算；另一种是以应力为 依据的极限应力设计法，适用于用脆性材料制造的法兰的设计计算。这两种方 法都是通过大量的理论研究和试验推导出来的，经过长时间的使用，证明是可 靠的，因此得到广泛应用。 近年，我国对法兰的设计计算也取得了一些成果。西南工学院机械系的夏 静波、王忠、朱目成发表的球磨机筒体法兰联接螺栓增加弹性元件后预紧力 的确定一文，阐述了球磨机简体、法兰联接螺栓为了提高其疲劳强度而增加 弹性元件之后，其预紧力的确定方法，井导出了相应的计算公式。南京化工大 学机械工程学院的陈永林、顾伯勤发表的基于紧密性分析的法兰优化设计 一文，在满足强度要求的前提下，为了减轻法兰质量，降低设备成本，在考虑 了系统紧密性的基础上，探讨了法兰优化设计方法。优化设计中，以法兰质量 为目标函数，以连接系统的最大允许泄漏率和法兰强度为约束条件，推导出了 相应的数学表达式。基于紧密性分析的法兰优化设计，既可满足法兰的强度要 求，又能使连接系统的泄漏率小于规定的指标，使得设计的法兰安全、经济。 1 ，2 2 我国钢制管法兰连接强度计算方法 我国现行的钢制管法兰连接强度计算方法( g b ，t1 7 18 6 一一1 9 9 7 ) 是由 美国、德国两个国家的部分国家标准组合而成的，它同时存在两个完全不同的 体系。对美洲体系采用的是强度计算方法a ，主要用于公称压力p n 为2 o 、5 0 、 1 1 o 、15 o 、2 6 0 及4 2 0 m p a 的钢制管法兰。对欧洲体系采用的是强度计算方法 b ，主要用于公称压力p n 为0 2 5 、0 6 、1 o 、1 6 、2 5 、4 o 、6 3 、1 0 o 及1 6 o m p a 的钢制管法兰。这也是“标准管道法兰数据库系统”常规强度校核的理论依据。 1 2 3 有限单兀法 经典的法兰设计方法所建立的法兰力学模型都是建立在一定的假设和近似 条件下，其求解的结果只是反映根据一定的理论分析和实际情况总结的若干危 险截面的应力，并不能很好的反映整个法兰的受力情况及变形过程。但是随着 现代设计理论与方法的发展，采用有限单元法进行法兰模型的仿真分析可以直 观的得到整个法兰的应力一一应变及变形过程等多种分析结果，使得法兰的设 计计算更全面、更准确、更直观。 1 3 建立“标准管道法兰数据库系统”的意义 1 3 1 课题的提出 现在数据库技术己经深入到社会发展的各个领域并得到广泛应用，建立的 各种数据库系统大大促进了数据科学管理的进程。例如机械工业部建立的三大 信息系统1 9j ：机械行业经济信息系统、机械科技情报检索系统、机械工程数掘 库系统。 “机械工程数据库系统”即“八五”科技攻关项目“机械工业共性技术数 据库”，在机械科学研究院等1 4 个科研院所和高校共同努力下，完成了“常用 材料性能数据库”、“机械强度与震动数据库”、“机械设计图库”、“标准与零 部件数据库”、“可靠性数据库”等1 6 个分库和数据中心的建库工作。该数据库 作为重大科研成果，获1 9 9 8 年度机械工业科技进步一等奖。 标准管道法兰作为机械行业一个重要的标准零部件，目前还没有加入到“机 械工业共性技术数据库”中的“标准与零部件数据库”，所以有必要在“标准 与零部件数据库”中增加法兰数据库。建立“标准管道法兰数据库系统”正是 在这种背景下提出的。 l - 3 2 建立“标准管道法兰数据库系统”的必要性及重要性 管道法兰作为密封连接件，在众多行业得到广泛应用，其型号和规格众多， 设计理论也因法兰体系的不同而不同，特别是随着法兰2 0 0 0 标准的推出，使建 立管道法兰数据库系统成为必要。通过建立管道法兰数据库系统，一方面可以 利用计算机数据库系统的优势更加快速地实现法兰2 0 0 0 标准的数据查询、检索。 更重要的是利用法兰数据库系统实现法兰的辅助设计与进一步技术开发。如： 根据选择的法兰型号和规格，进行法兰常规强度计算和有限元分析，这为用户 选择的法兰是否满足强度和密封要求提供计算数据，同时浏览系统的技术说明 可以为设计提供理论支持。又如：对用户设计的法兰，输入设计参数，通过本 系统可以进。步验证设计是否合理，并可任意修改设计参数来完成强度计算和 有限元处理，通过结果的比较来使设计的参数合理化。这些过程全部都是通过 计算机自动完成，用户只需要进行简单的操作就可以完成。因此，本系统对加 速法兰的设计过程、正确、合理地选用法兰参数，促进法兰的研究和丌发，以 及提高使用可靠性具有非常重要的意义。 1 33 数据库系统的主要内容 “标准管道法兰数据库系统”主要包括如下内容： ( 1 ) 系统按关系数据库理论f 1 0 建立了我国2 0 0 0 版管道法兰标准库，包括 g b t 9 1 1 2 9 1 2 4 一一2 0 0 0 钢制管法兰、g b t 1 7 2 4 1 l 1 7 2 4 1 7 一一1 9 9 8 铸 铁管法兰、g b t 1 5 5 3 0 1 1 5 5 3 0 8 一一1 9 9 5 铜合金及复合管法兰三大系 列标准。 ( 2 ) 系统包含按经典法兰强度校核理论编写的法兰强度计算模块。调用系 统数据库的法兰规格及相关数据或用户自定义数据，按欧洲或美洲两个不同体 系计算得出用户所需要的法兰强度计算结果。 ( 3 ) 系统包含法兰计算的有限元分析处理模块。 1 4 课题的主要研究内容与意义 本论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 管道法兰强度计算方法分析 对目前我国采用的法兰标准、国内外的法兰设计理论进行系统研究，在此 基础上重点介绍我国法兰标准中选用的法兰强度计算方法，即强度计算方法a 、 强度计算方法b 和两类法兰力学模型的分析，强度计算的理论基础，强度计算 的方法等。 ( 2 ) 标准管道法兰数据库系统设计 ( a ) 标准管道法兰数据库系统方案研究 通过对软件系统开发方法和数据库系统的理论学习，并结合管道法兰数据 库的自身特点来确定系统开发方案。系统采用“软件生命周期j ，的开发方法 并结合面向对象的技术以软件开发的“具有维护循环的瀑布模型【】2 ”为总的丌 发方案，通过对目前比较流行的数据库系统开发软件的比较分析，确定系统刃： 发的工具及其运行需要的软硬件环境。 ( b ) 标准管道法兰数据库系统数据库设计 建立所选法兰标准的完整数据库，同时将强度计算等所需要的相关数据也 录入到法兰数据库中。管道法兰数据库是以数据库的“规范化 j 副”理论为基础 来建立的，这样能够有效的减少系统运行中意外情况的发生并保证法兰数据的 完整性、一致性等。 ( c ) 标准管道法兰数据库系统结构设计 在“模块化【12 l 设计思想的指导下，通过系统需求分析，确立系统应该具 有的功能模块，再在此基础上确立了系统的总体结构及其它辅助模块。结构设 计是建立系统的总体骨架，这是系统详细设计的基础。 ( d ) 标准管道法兰数据库系统测试应用 通过整个系统的运行，不断找出系统的缺陷，列系统的计算结果进行验证， 优化程序结构和算法，设置程序意外情况处理等，晟终完成整个系统的开发。 ( 3 ) 标准管道法兰数据库系统有限元分析研究 有限元分析技术是法兰强度计算的有效手段，如何针对法兰这样一个标准 零件采用有效的有限元分析方法来准确、快速、便捷地处理? 采用的解决方案 是以法兰数掘库系统为平台，结合a n s y s 二次开发语言a p d l ，让系统根据用 户选择的法兰型号和规格自动产生a n s y s 软件能够自动执行的命令流文件。 本论文研究内容的意义如下： ( 1 ) 明确了我国管道法兰强度计算的具体方法。为建立的“管道法兰数掘 库系统”的数据库及常规强度校核提供理论支持。 ( 2 ) 建立“管道法兰数据库系统”实现最新法兰标准的全方位的信息化管 理。不但能够对法兰数据进行查询、检索、查看新标准中的技术说明与技术条 件，还能够对法兰进行常规快速设计，根据经典法兰强度校核理论建立法兰强 度计算模块，实现了法兰强度计算的自动化。 ( 3 ) 能够结合有限元分析软件对法兰进行强度计算，实现了有限元软件对 法兰零件库的快速有限元分析处理。 1 5 本章小结 本章分别介绍了国内外法兰标准概况、国内外法兰强度设计概况以及所采 用的数据库的内容与结构，并对建立“管道法兰数据库系统”的必要性及其所 具有的重要意义进行了阐述，最后对本课题所研究的主要内容和意义进行了概 括说明。 第二章管道法兰强度计算方法 我国国家标准制定的法兰强度计算方法是由美国和德国两个国家的部分阁 家标准组合而成，对美洲体系法兰采用的是“法兰强度计算方法a ，对欧洲 体系法兰采用的是“法兰强度计算方法b ”。 2 1 法兰强度计算方法a 2 1 1 法兰计算方法a 的基本理论1 3 】【1 4 1 美洲体系法兰的强度校核采用的是“计算方法a ”，其基本理论是基于弹 性分析的方法。铁木欣柯( t i m o s h e n k o ) 法、默瑞一一斯屈特( m u r r a v s t u a r t ) 法、龟田( h a m a d a ) 法、华特氏( w a t e r s ) 法等都是基于弹性分析的方法，其 中w a t e r s 法在此类方法中最具代表性。在“计算方法a ”中，不带颈松套法兰 采用的是铁木欣柯法计算；整体法兰、按整体法兰计算的任意法兰、带颈松套 法兰采用的是华特氏法计算。基于弹性分析的法兰力学模型如下： ( 1 ) 不带颈松套法兰的力学模型 这种力学模型是将法兰看作一受扭矩作用的环板，如图2 1 所示。对于刚性 不好的焊接法兰亦可按不带颈松套法兰计算。设螺栓的总拉力为w ，d 。为法兰 截面重心位置半径，在环截面重心的圆周上，单位圆周长度上的弯曲力矩为m l ， 总弯曲力矩为m ，m = nd 。m 卜 图2 1 不带颈松套法兰的力学模型 ( 2 ) 整体、带颈松套法兰力学模型 这种力学模型是按照华特氏法假想地将法兰分为圆筒体、颈部、法兰环三 个部分，在此基础上将法兰所受载荷简化，如图2 2 所示。其中图2 2 ( a ) 为预 紧状态( 螺栓载荷) 的受力模型；图2 2 ( b ) 为操作状态下( 内压载荷) 的受 力模型；图2 2 ( c ) 为法兰实际载荷。 进行强度分析时是以图2 2 ( c ) 图所示载荷进行考虑的，在此基础上建立 各部分相互作用的内力素方程，各个部分间相互作用的内力素及广义位移的正 向如图2 3 ( b ) 所示。具体情况如下： ( a ) 圆筒体：将其视为承受沿边缘( x - = o ) 处均匀分布的弯矩m “和剪力q “ 作用的圆柱壳。 ( b ) 颈部：视为线性变厚度的圆柱壳，在上边缘( x 2 = o ) 处承受均匀分_ t 1 1 】 的弯矩m w - 和剪力q h i 。在下边缘( x 2 = h ) 处的大端承受均匀分布的弯矩m h l 和剪 力q h 】。 a ) 很定的第1 部分载葡b ) 假定的第1 i 部分载荷c ) 法兰的实际裁荷( 近似) 圈2 2 平焊或高颈法兰力学模梨 ( c ) 法兰环：将其视为环形薄板，在其内外边缘上作用有均布力w 。，7 和 w 。( w 。7 rj = 译。，了rr 产w 1 ) ，其对法兰中心产生的力矩= w 1 ( r 2 一r i ) ，另外沿内 圆周有均匀分布的弯矩扯1 = i + q h l t 2 。 、40 ( a ) 法兰虑力圈 6 4 m m 时，b 一2 5 3 b o ，m m ； d g 一一垫片压紧力作用中心圆直径。对于图2 4 ( a ) 所示的松套法兰，热 片压紧力作用中心圆直径d g 即是法兰与翻边接触面的平均直径。对 于其它形式的法兰，则按下述规定计算： 当b 0 6 4 m m 时，d g 等于垫片接触面平均直径； 当b o 6 4 m m 时，d g 等于垫片接触面外直径减去2 b ； ( 2 ) 垫片宽度校核 垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷作用，可能因压紧过度而失去密封性 能。因此，垫片须有足够的宽度n 。i n 其值按式( 2 3 ) 校核： n 。= 淼d 姗( 2 - 3 ) 式中a b 实际使用的螺栓总截面积，m m 2 ； 【o 】b 一一常温下螺栓材料的许用应力，m p a ； 2 1 _ 2 2 螺栓计算 螺栓设计计算包括计算上需要的螺栓载荷、需要的和实际的螺栓总截面积、 法兰设计螺栓载荷三个部分： ( 1 ) 计算上需要的螺栓载荷 预紧状态下需要的最小螺栓载荷l 。按式( 2 - 4 ) 计算： l 。一3 1 4 d g b y n( 2 4 ) 9 表2 - 1垫片基本密封宽度 垫片基本密封宽度b 。 压紧面形状( 简图) ii i n 。，o - _ ：】_ ：_ = _ _ on 。l ! 妻妻参亩一 # z 露万荔鄹_ _ = = 雾薪孵 n ，2n 2 鬣貂彰；& 繇黼。l j 缀缓。芦丝c 岫暴器 j 0卜 = z o = ，t l c n 匿圈： 爷f 掰z 万i 露i 7 一 ( w + t ) 2( w + t ) 2 键象一。i ( ( w + n ) 4 最大)( ( w + n ) ，4 最火) 。洲一罴= “ 粤：冽基犹 2 。 盟_ 瘩翼习 。2 ( w + n ) ，4( w 十3 n ) 8 吐丝簧么聱护 。嘲裁雁2 n ，43 n ，8 毖鸶丝兰警、，盟 医翻 3 n ，87 n ，1 6 4 】z 万芽z z - i 了 z o 麓甏严“ 区翻 n 43 n ，8 5 ”巧兹坦筮基暑蕊旦 。鬻 w 8 1 ) 当锯齿深度不超过0 4 m m 时，应采用1 a 或l b 的压紧面形状 操作状态下需要的最小螺栓载荷l p 按式( 2 5 ) 计算： l p = f + f p = 0 7 8 5 d 0 2 p + 6 2 8 d g b m p n 自紧式垫片所需的螺检载荷按式( 2 6 ) 计算： l a = o l p = f = 0 7 8 5 d 。2 p n ( 2 ) 需要的和实际的螺栓总截面面积a 。和a b 按式( 2 - 7 ) 、 a m = m a x ( a a ，a d ) m m 2 其中a b a m m m ( 3 ) 法兰设计螺栓载荷l 预紧状态下法兰设计螺栓载荷l 按式( 2 - 9 ) 计算： l = 半f 仃】b n ( 2 5 ) ( 2 9 ) 6 7 8沼魁协协 ) 8 一 _ 一 一2 压紧垫片基本 垫片比压 垫片形状面形密封宽度 垫片材料 系数 力y l nm p a ( 简图)状( 见列号( 见表 表2 。1 、2 1 ) 白紧式垫片( o 形环，金属的，合成橡胶 及其它被认为是臼紧密封的垫片) 00 无织物或无高禽超 肖氏硬度7 5 05 00 ，a 石棉纤维的合成橡胶肖氏硬度7 51 0 01 4 具有适当粘厚度3 m m2 0 01 1 2 结剂的石棉厚度1 5 m m2 7 5 2 6 o 一力 ( 石棉橡胶板)厚度o ，7 5 m m3 5 04 5 7 l a 、l b 含有石棉纤维的橡胶1 2 52 8 z：1 c 、1 d 含有石棉纤维的3 层2 2 51 5 5 目 4 ，5 橡胶( 带有或没有2 层2 5 02 0 ，4 刍 金属加强丝) 1 层2 。7 52 6 o z 织物纤维1 7 57 7 厶匈 缠绕式垫片碳钢2 5 07 0 0 缓荔笏 ( 内填石棉)不锈钢或蒙乃尔台金3 o o7 0 o ho ，。t 矽 内填石棉软铝2 5 02 0 。4 的波纹状 软铜缄黄铜 2 7 52 6 0 金属或充铁或软钢3 0 03 l - 6 妇i j z 堙 1 a 、l b ， 填夹层石 蒙乃尔台金3 2 53 8 7 幽 棉的波纹 4 一6 铬钢3 2 53 8 7 状金属 不锈钢3 5 04 5 7 软锅2 7 52 6 0 金属波纹 软铜或黄铜 3 o o3 1 6 哦碱 1 a 、1 b 铁或软钢3 2 53 8 7 形垫片1 c 、l d 蒙乃尔合金或4 巧铬钢3 5 04 5 7 不锈钢3 7 55 3 4 平金属夹 软铝3 2 53 8 7 f| 壳填石棉软铜或黄铜3 5 04 5 7 】a 、l b 垫片( 金铁或软钢3 7 55 3 4l 丑 1 c 1 1 、 属包覆垫 蒙乃尔台金 3 5 0s 6 2 韭。j 1 d n 、 2 1 ) 片) 4 一6 铬钢3 7 56 3 ，3 ! 专 不锈钢 3 7 56 3 3 软铝3