法兰、螺栓连接系统三维有限元分析.PDFVIP

维普资讯 静设备 P石油化工设备技术．2004．25(6)·17· etro—ChemicalEquipmentTechnology 法兰、螺栓连接系统的三维有限元分析 曹占飞 (中国石化工程建设公司，北京 100011) 摘 要：法兰、螺栓、垫片及盲板组成的系统是压力容器设计 中的重要 内容，同时也是设计及使用过程 中 容易出现 问题的部位 。详细计算该系统应力分布是提 高法兰、螺栓连接设计水平 的关键所在 。该文应 用三 维有限元技术 ，考虑 了大量的接触面和螺栓预紧单元，准确计 算出一套法兰连接 的应力分布．并与国标 中的 法兰计算公式所得到的结果相比较，对法兰连接 的设计有现 实的指导意义。 关键词：法兰、螺栓连接 ；有限元分析；应力分布 中图分类号：TE969 文献标识码 ：B 文章编号 ：1。O6-8805(2004)06-O017-03 1 前言 尺寸按 照 ANSIB16．5《管 法 兰 和 法 兰配 件 》 法兰连接是压力容器上必不可少 的重要 部 PB1500，DN35O选取 。 件 ，被广泛应用于石油化工 、电力、原子能、轻工等 领域 。关于法兰应力分析方面 的研究工作 ，自20 世纪6O年代 以来一度成为一个热门话题 ，有关论 文相继发表在历届国际压力容器技术会议 。这些 方法归纳起来可 以分为三类 ：基于材料力学的简 单方法、以弹性分析为基础 的方法和 以塑性分析 为基础的方法 。 我国的法兰设计采用 的是 以弹性分析为基础 的Waters方法，多年的应用结果表明，按 Waters 法设计的法兰是可靠的。同时，Waters法计算也 存在一些缺陷，如该法略去 了压力载荷所造成 的 不连续应力 以及 内压在 圆筒 、锥颈上引起 的直接 薄膜应力。法兰连接的应力分布到底如何 ，有限 图 1 法兰连接结构不 恿 元分析是解决该问题最可行有效地方法 。 3 有限元分析步骤规划及模型建立 近年来，随着计算机技术的迅速发展 ，带动了 法兰连接系统不仅结构复杂，而且受力也很 数字分析技术的蓬勃发展。特别是有限元技术的 复杂 ，在正常操作情况下 ，它受到压力载荷 、管道 发展，使复杂结构的应力计算成为可能 ，其分析结 推力 、温差载荷等的共 同作用 。在工程实际中，管 果真实可靠 ，成为工程分析 的重要手段之一 。本 道推力通常被折算成当量压力，实践证明这种方 文着重用有限元分析技术分析法兰连接中的应力 法是可行的，所 以在建立有限元模型时就不再单 分布，为设计人员提供可靠的设计依据 。 独考虑管道推力 。温差应力也是法兰应力的一个 2 法兰连接结构简介 重要组成部分 ，但考虑到温差应力属于二次应力 ， 本文所计算 的法兰连接结构 由两片法兰 、一 收稿 日期 ：2004—03—30 块盲板、两个八角垫片和 16个螺栓组成 ，结构示 作者简介 ：曹 占飞 (1972一)，男，1995年毕业于浙江大学 化 意见图 1。该结构 的主要几何参数包括 ：法兰颈 工设备与机械专业 ，2000年毕业 于浙江大学化工设 备与机 外径 D。一404mm，法兰 内径 D一334mm，法兰厚 械专业，获硕士学位 。现在中国石化工程建设公司从事炼油 度 丁一148mm，盲板厚度 丁。一115mm，其他结构