热机载荷下螺栓法兰连接系统的安全评估

发布时间：2017-07-31 07:42

  本文关键词：热机载荷下螺栓法兰连接系统的安全评估

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【摘要】：由于可重复拆卸、易安装、成本低廉的特性,螺栓法兰连接系统被广泛的应用于工业、电力、航空航天等领域。本文从法兰应力、垫片应力、螺栓线膨胀系数影响下的螺纹安定性三方面进行分析。基于有限元分析方法,分析稳态温度场与瞬态温度场,得出位置点处的温度,进一步得到位置点温度趋于稳定的时间。在升温方式2(内壁温度逐渐升至目标温度)中温度稳定时间与升温时间之间的关系是线性的,为1T?0.89T?3.996,其中T1为温度稳定时间,T为升温时间。根据温度场作用下的应力场,可知瞬态温度场下的升温方式3为合理的升温方式。分析多种升温区间下的应力场,采用tresca屈服准则,得到该升温区间的最短升温时间。进一步确定保温时间,将多种升温方式进行组合,得出升温总时间,升温总时间最短且应力波动较小的即为较优升温方式。本文中螺栓法兰结构的较优升温方式为0~150~300~400℃,具体升温方式为内壁升温至150℃,保温1200s,内壁在1300s的时间内从150℃升温至300℃,保温1200s,在1700s中升温至400℃,总升温时间为1.5h。分析螺栓法兰材料、垫片压缩回弹特性、垫片内外径因素对垫片应力的影响。根据分析结果可知螺栓、法兰、螺母的弹性模量与泊松比的变化对垫片应力影响很小。垫片压缩回弹特性曲线越靠左越硬,垫片的内外径应力差值越大,垫片越靠右越软,垫片内外径应力差值越小。三种回弹特性曲线下的垫片平均应力值均为55MPa,与垫片的压缩回弹特性无关。本文结构中垫片宽度超过59mm时,垫片上的应力不再减小,且垫片平均应力与垫片宽度成反比。使用Abdalla计算方法,改变螺栓线膨胀系数得出循环热机载荷下螺栓上的弹性安定载荷。根据计算结果可知内压对螺栓法兰弹性安定极限没有影响,当螺栓与法兰的线膨胀系数接近时,对保证螺纹处的弹性安定有利。
【关键词】：垫片 温度 螺栓 法兰
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH131.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 法兰变形11-14
• 1.2 垫片密封性能14-15
• 1.3 研究现状15-20
• 1.3.1 螺栓法兰强度分析16-18
• 1.3.2 螺栓法兰密封性分析18-20
• 1.4 研究方法20-21
• 1.4.1 有限元分析方法20
• 1.4.2 热结构耦合方法20-21
• 1.5 研究内容21-23
• 第2章 有限元建模及可靠性验证23-39
• 2.1 螺栓法兰系统结构分析模型23-30
• 2.1.1 几何结构23
• 2.1.2 材料属性23-26
• 2.1.3 有限元模型26-27
• 2.1.4 载荷、边界及接触对27-30
• 2.2 螺栓法兰系统温度场模型30-32
• 2.2.1 热分析基本理论30-31
• 2.2.2 材料参数选择31
• 2.2.3 有限元模型31
• 2.2.4 边界条件及接触设置31-32
• 2.3 有限元软件的可靠性32-35
• 2.3.1 abaqus计算温度场的可靠性32-34
• 2.3.2 abaqus计算应力场的可靠性34-35
• 2.4 螺栓法兰系统强度分析与结构改进35-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第3章 升温时间对法兰应力的影响39-57
• 3.1 温度场39-48
• 3.1.1 稳态温度场39-40
• 3.1.2 瞬态温度场40-48
• 3.2 温度场对螺栓法兰系统应力的影响48-52
• 3.2.1 稳态温度场下螺栓法兰系统应力场48
• 3.2.2 升温方式1下螺栓法兰系统应力场48-49
• 3.2.3 升温方式2下螺栓法兰系统应力场49-50
• 3.2.4 升温方式3下螺栓法兰系统应力场50-52
• 3.2.5 三种升温方式的比较与结论52
• 3.3 工程推荐升温过程的选取52-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 材料参数与垫片尺寸对垫片应力的影响57-69
• 4.1 螺栓法兰系统材料参数对密封性能的影响57-63
• 4.1.1 弹性模量与泊松比对密封性能的影响57-60
• 4.1.2 垫片压缩回弹特性曲线对密封性能的影响60-63
• 4.2 垫片内外径尺寸对密封性能的影响63-65
• 4.3 PVRC法验证螺栓法兰结构紧密性65-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第5章 螺栓线膨胀系数对螺纹安定载荷的影响69-77
• 5.1 安定极限计算方法69-71
• 5.2 螺栓热应力71-73
• 5.3 载荷加载方式73-74
• 5.4 安定分析模型74-75
• 5.5 有限元分析结果75-76
• 5.6 本章小结76-77
• 第6章 结论与展望77-79
• 6.1 结论77
• 6.2 创新点77-78
• 6.3 存在不足与建议78-79
• 参考文献79-83
• 附录1 垫片应力提取程序83-84
• 附录1.a垫片无回弹特性时应力提取程序83
• 附录1.b垫片有回弹特性时应力提取程序83-84
• 附录2 安定性计算后处理程序84-87
• 攻读硕士学位期间所发表学术论文87-88
• 致谢88

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本文编号：598069