基于有限元法的设备法兰强度与刚度分析及工程设计软件开发

摘要

法兰作为压力容器设备和压力管道部件，对容器及管道的安全运行至关重要。大多数国家的设备法兰设计标准主要基于弹性力学分析的Taylor-Waters法，法兰尺寸经多次试算校核而得。为提高非标设备法兰设计的精确性和设计效率，本论文针对整体设备法兰，利用ANSYS有限元软件，对法兰强度和刚度进行了有限元分析和数值计算，研究了法兰部分结构参数对法兰应力和转角的影响。在此基础上，采用ANSYSAPDL参数化设计技术与VB编程工具，开发了基于有限元分析(FEA)的设备法兰工程设计软件。
　　首先，介绍了Taylor-Waters法的基本原理和法兰设计过程，针对某工程实际中的整体设备法兰，依据ASMEⅧ-2-4.16中设计过程和计算公式，进行了法兰结构尺寸的初始设计计算;采用ANSYS软件建立了整体法兰有限元模型，对法兰应力和法兰盘转角进行了有限元分析和计算，并与ASMEⅧ-2-4.16计算结果进行了比较;基于Taylor-Waters理论分析法和应力分类法给出了法兰分析设计中应力和转角校核判据。
　　其次，通过有限元计算研究了包括法兰环厚度、锥颈大端厚度、锥颈高度、螺栓间距等法兰几何结构参数、垫片尺寸对法兰强度和刚度的影响。
　　第三，采用Visual Studio10.0中VB编程工具和ANSYS APDL参数化设计技术开发了基于有限元分析的设备法兰工程设计软件CFFEA。该软件通过交互式操作界面实现法兰数值计算、结构优化设计、结果获取、自动生成报告等功能。该软件不仅可以基于有限元法进行法兰优化设计，还可以基于ASMEⅧ-2-4.16公式进行法兰常规设计。作为CFFEA软件的应用案例，采用该软件对某工程中使用的法兰进行了优化设计，设计结果满足ASMEⅧ-2-4.16中对强度和刚度的要求。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 压力容器法兰设计方法概述

1．2．1 压力容器法兰分类

1．2．2 法兰设计的基础理论及应用

1．2．3 法兰设计标准概述

1．3 有限元技术在法兰设计中的应用

1．3．1 计算机技术在法兰设计过程中的应用

1．3．2 有限元法在法兰设计中的应用

1．4 本论文研究内容

第二章 基于弹性力学分析的法兰设计理论

2．1 载荷分析

2．1．1 基本假设

2．1．2 力学模型和载荷分析

2．2 解析过程

2．2．1 直边段壳体的分析

2．2．2 法兰环分析

2．2．3 锥颈的分析

2．2．4 壳体法兰环锥颈的变形协调分析

2．3 法兰强度和刚度

2．3．1 法兰应力

2．3．2 法兰刚度

2．4 本章小结

第三章 基于有限元法的法兰强度和刚度分析

3．1 法兰结构初始设计计算

3．1．1 设计条件

3．1．2 材料选择

3．1．3 结构及尺寸的确定

3．2 法兰有限元模型的建立

3．2．1 法兰几何结构与材料特性

3．2．2 边界条件与载荷

3．3 法兰有限元分析及数值计算

3．3．1 法兰应力分布和转角

3．3．2 法兰应力及转角数值结果

3．3．3 法兰应力强度及转角校核

3．4 有限元法和基于Taylor-Waters法兰计算结果比较

3．5 本章小结

第四章 影响法兰强度和刚度的因素分析

4．1 法兰尺寸对法兰应力强度和刚度的影响

4．1．1 法兰环厚度对法兰应力强度和刚度的影响

4．1．2 锥颈高度对法兰应力强度和刚度的影响

4．1．3 锥颈大端厚度对法兰应力强度和刚度的影响

4．1．4 螺栓间距LA对法兰应力强度和刚度的影响

4．2 垫片尺寸对法兰应力强度和刚度的影响

4．2．1 垫片内径对法兰应力强度和刚度的影响

4．2．2 垫片外径对法兰应力强度和刚度的影响

4．3 本章小结

第五章 基于VB和ANSYS的法兰设计软件开发及应用

5．1 基于VB和ANSYS APDL的法兰设计软件开发

5．1．1 基于VB的ANSYS二次开发原理

5．1．2 基于VB和ANSYS的法兰优化设计

5．2 CFFEA法兰设计软件

5．2．1 软件功能介绍

5．2．2 CFFEA软件在工程设计中的应用

5．3 CFFEA法兰设计案例

5．4 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介