法兰螺栓连接系统的可靠性研究

摘要

法兰接头广泛应用于石油化工设备、动力装置以及管道连接，垫片是其中重要的密封元件，其性能是直接影响连接密封可靠性的因素之一。为防止垫片密封失效，把螺栓、法兰和挚片三者组成的系统作为研究对象，具有重要意义。
　　 本文对垫片的压缩回弹曲线进行了讨论，针对垫片材料的非线性和非保守性，把垫片的工作过程分为加载和卸载两个阶段。对法兰接头的研究中，把法兰接头各元件看成一个系统，研究各元件之间的相互作用，并考虑垫片的非线性，建立了法兰接头的参数化三维有限元模型。通过计算得到了接头整体及各元件的变形和应力分布情况。研究了几何尺寸、预紧和加压等参数对法兰接头系统整体性的影响，为更加合理地设计、应用法兰连接系统提供参考。通过研究，本文获得以下主要结论：
　　 (1)采用ANSYS参数化设计语言(APDL)，使用INTER194垫片单元模拟垫片材料的非线性行为和非保守性，建立了1/8法兰连接系统的参数化三维有限元模型。
　　 (2)利用所建立的法兰连接系统的参数化三维有限元模型，对加载和卸载两种工况分别进行了分析，得到了法兰、螺栓和垫片上应力分布的云图。并分析了垫片厚度和预紧力对法兰应力和垫片应力的影响。
　　 (3)无论预紧工况还是加载工况，垫片上的应力分布在周向和径向都是不均匀的，且随着垫片厚度的增加，垫片应力的分布相对比较均匀。
　　 (4)法兰接头系统中应力水平较高的位置是在法兰环锥颈大端几何形状不连续处，垫片厚度的增加可以降低此处的最大应力强度。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1 法兰转角的计算

1.1 法兰转角的理论计算公式

1.2 法兰转角的有限元法计算

1.3 实验和计算数据分析

1.3.1 在螺栓预紧载荷下法兰转角的计算

1.3.2 一定温度下法兰转角计算

1.3.3 一定介质压力下法兰转角计算

1.3.4 一定温度、不同介质压力下法兰转角的计算

小结

2 高温下螺栓法兰垫片连接的紧密性分析

2.1 高温下螺栓法兰垫片连接的变形协调分析

2.1.1 模型的假设和基本方程

2.1.2 变形量计算

2.2 紧密性分析

2.2.1 泄漏率的预测

2.3.2 泄漏率的控制

小结

3 法兰接头三维有限元模型的建立

3.1 有限元数值分析方法简介

3.1.1 概述

3.1.2 ANSYS有限元软件简介

3.2 法兰接头三维有限元模型的建立

3.2.1 模型特点

3.2.2 接头的几何模型

3.2.3 模型范围的选取

3.2.4 单元类型的选取

3.2.5 材料特性

3.2.6 边界条件与载荷

3.2.7 参数化有限元模型的生成

小结

4 法兰接头三维有限元分析结果与讨论

4.1 法兰接头三维有限元分析概述

4.2 法兰接头系统Von-Mises应力分析结果

4.2.1 米塞斯(Von-Mises)屈服准则

4.2.2 法兰接头系统Von-Mises应力分布状况

4.3 法兰接头系统中螺栓的有限元分析结果

4.3.1 法兰接头系统中螺栓的应力强度分布

4.3.2 法兰接头系统中螺栓的各应力分量分布状况

4.4 法兰接头系统中垫片的有限元分析结果

4.4.1 垫片在预紧和加内压的应力分布及变形

4.4.2 法兰接头系统中的垫片应力分布

4.5 法兰接头系统中上法兰的有限元分析结果

4.5.1 法兰接头系统中上法兰环应力强度分布

4.5.2 法兰接头系统中法兰环的各应力分量分布状况

4.5.3 法兰强度校核

4.6 法兰接头几何参数对接头强度和垫片应力的影响

4.6.1 螺栓预紧程度对法兰接头强度和垫片应力的影响

4.6.2 垫片厚度对法兰接头强度和垫片应力的影响

4.6.3 理论研究在实践中的验证：

4.7 小结

结 论

参考文献

附录 A ANSYS参数化设计语言(APDL)部分代码

致 谢