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法蘭接頭作為壓力容器中一種常見(jiàn)的可拆性連接結(jié)構(gòu)，在石油化工及其他工業(yè)部門(mén)中得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)中、低壓壓力容器及管道的密封、連接結(jié)構(gòu)都采用法蘭連接。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)于安全和環(huán)境的關(guān)注逐漸提高，對(duì)法蘭接頭在強(qiáng)度與緊密性的可靠性要求也不斷提高。法蘭連接作為一個(gè)整體主要由法蘭、螺栓、螺母，筒體、封頭等元件組成。傳統(tǒng)法蘭分析具有很大的挑戰(zhàn)，主要難點(diǎn)有法蘭接頭中存在結(jié)構(gòu)與材料等多種非線性，接頭各元件之間存在相互作用，必須整體來(lái)分析，接頭的強(qiáng)度分析和緊密性也必須結(jié)合起來(lái)分析。ANSYS軟件提供了強(qiáng)大的非線性處理功能，對(duì)于接觸問(wèn)題中出現(xiàn)的非線性約束現(xiàn)象能很好的克服傳統(tǒng)分析的弊病，本研究以某壓力容器高頸法蘭連接設(shè)備為分析對(duì)象，通過(guò)APDL建立其參數(shù)化有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。
容器所受內(nèi)壓為45MPG封頭為橢圓形，高度h=225mm，筒體厚度t=24mm，直邊段長(zhǎng)度50mm，連接螺栓為M30，數(shù)量為48個(gè)，法蘭的密封形式為凹凸面。上下法蘭結(jié)構(gòu)如圖所示，模型尺寸如表所示。由于法蘭接頭是周期對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，利用其對(duì)稱(chēng)性，可以從整個(gè)法蘭結(jié)構(gòu)中取兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面截出的1/96接頭結(jié)構(gòu)來(lái)建立有限元模型。與下法蘭環(huán)相連的筒體，根據(jù)圣維南原理，只需要取長(zhǎng)度L=25，頂飛就可以消除筒體邊緣處軸向應(yīng)力分布對(duì)法蘭處應(yīng)力分布的影響，其中R為與法蘭相連接的筒體的平均半徑，偽筒體厚度3。其中對(duì)螺栓模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮螺紋影響，采用實(shí)體建模，由于模型較為復(fù)雜，采用APDL語(yǔ)言律立樟型。螺母、螺栓、上下法蘭環(huán)和分別與法蘭環(huán)相連的筒體及封頭都選用單元，但各元件的單元有其不同的材料特性，各材料屬性如表所示。墊片和上下法蘭環(huán)之間的接觸以及螺母和上下法蘭環(huán)之間的接觸采用面—面接觸單元TARGE170和CONTA174來(lái)描述。接觸面間相對(duì)滑動(dòng)系數(shù)取為0.3，螺栓預(yù)緊情況的模擬采用螺栓預(yù)緊單元PRERSI7}由于法蘭接頭及內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為得到較好的精度網(wǎng)格，采用手動(dòng)限制單元大小，各元件獨(dú)立劃分的方法設(shè)置網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)算，表明該網(wǎng)格滿(mǎn)足所需精度要求，網(wǎng)格如圖所示。法蘭接頭涉及到2種工作工況，一種是壓力容器所受的內(nèi)壓，另一種是給法蘭接頭所施加的螺栓預(yù)緊力。對(duì)于螺栓而言則主要受到拉力及彎矩載荷，本研究并不考慮到密封墊片，所以法蘭接頭所受到的螺栓預(yù)緊力不再是密封預(yù)緊力，而是螺栓工作載荷與殘余應(yīng)力之和，根據(jù)API規(guī)范，取為35kN在邊界條件處理上，由于法蘭接頭在結(jié)構(gòu)、載荷和約束上都具有周期性的軸對(duì)稱(chēng)性質(zhì)，因此，在有限元模型的2個(gè)對(duì)稱(chēng)平面上施加對(duì)稱(chēng)約束，約束這2個(gè)平面上的節(jié)點(diǎn)周向位移，同時(shí)在與下法蘭環(huán)相連接筒體的截?cái)喽耸┘用孑S向固定約束。
法蘭在內(nèi)壓及螺栓預(yù)緊力2種工況下的受力情況如圖所示，最大應(yīng)力發(fā)生在上下法蘭接觸處外側(cè)，最大應(yīng)力值達(dá)到241MP、考慮到設(shè)備自重等因素，本文選取下法蘭為研究對(duì)象，對(duì)該危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力按照加載歷史進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)分析，如圖所示。由圖可以看出，最終總應(yīng)力值達(dá)到許用應(yīng)力的53.6。彎曲應(yīng)力最終占總應(yīng)力的32.4。圖中載荷步是依據(jù)容器內(nèi)壓與螺栓等效壓力之和來(lái)設(shè)定，螺栓與螺母接觸強(qiáng)度如圖所示，最大應(yīng)力值發(fā)生在螺帽與螺柱相接觸的地方，最大應(yīng)力值達(dá)到398MPG，對(duì)該危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力分析如圖所示。由圖可以得到，最終總應(yīng)力值達(dá)到許用應(yīng)力的520，彎曲應(yīng)力占總應(yīng)力的17.80。
1)在容器內(nèi)壓4.5MPa及螺栓預(yù)緊力35kN的作用下，法蘭接頭最大應(yīng)力發(fā)生在上法蘭與螺母相接觸的位置，最大應(yīng)力達(dá)到241MPG彎曲應(yīng)力占32.4，需要特別關(guān)注。并且在封頭與法蘭接頭處由于不連續(xù)應(yīng)力也存在較大的應(yīng)力強(qiáng)度分布。
2)螺栓由于受到軸向的拉應(yīng)力，還受到彎曲力矩的作用，所以螺栓的應(yīng)力強(qiáng)度在螺栓受拉力一側(cè)最大，而且整體受力不均勻，發(fā)生彎曲變形，最大應(yīng)力值達(dá)到398MPG，彎曲應(yīng)力所占比重較小，為17.8。
3)通過(guò)ANSYS軟件對(duì)法蘭接頭作整體分析，介紹了一種分析法蘭強(qiáng)度的可行性方法，克服了傳統(tǒng)分析的不足，對(duì)于解決類(lèi)似非線性約束問(wèn)題具有一定借鑒意義。
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