螺栓法兰的三维有限元及紧密性能分析

发布时间：2020-03-02 22:35

【摘要】：螺栓法兰连接件是石油化工领域一种重要的密封连接结构。由于各种工况的作用,接头处易发生泄漏,导致密封失效。2001年根据统计数据表明,所有泄漏事故中有17%发生在螺栓法兰连接的位置,由此可以看出螺栓法兰紧固对保证压力容器的安全运行有着很重要的作用。论文对螺栓法兰连接件的有限元分析及紧密性能分析,可为合理的法兰接头设计提供理论参考依据,减少设备在运行过程中的泄漏,保证其安全运行。本论文以管壳式换热器中夹带管板的螺栓法兰连接件为研究对象,采用了标准高颈设备法兰(JB/T4703-2000)作为分析的基准法兰,考虑了垫片材料的非线性性质和各元件间的接触关系(一种非线性关系),将螺栓、法兰、垫片和管板等十种元件作为一个整体,利用ANSYS有限元分析软件对其进行了静力分析,并研究了几何尺寸和载荷等参数对连接件整体强度和紧密性的影响。其中,管壳式换热器中螺栓法兰连接件所夹带的实际管板在模型中通过美国机械工程师协会(ASME)锅炉及压力容器规范中的法兰设计规范简化为无孔实心的等效管板,并把有限元计算结果与GB151设计规范公式计算结果做对比,结果显示管板中心处的径向最大应力值与规范计算值较吻合。通过对螺栓法兰连接件的有限元分析,结果显示:预紧和内压工况时,螺栓法兰连接件整体和各元件应力分布趋势基本一致,随着内压的增大,各部位的应力强度增大,法兰和螺栓的变形也随之增大。螺栓受到轴向的拉应力,螺母与法兰环接触受到压紧应力,产生应力集中,法兰环有从内向外张开的趋势。由于几何形状不连续,预紧时法兰环与法兰颈连接处出现应力集中,内压时法兰颈与封头的连接处出现应力集中,但影响区域较小。通过螺栓、垫片和法兰等几何参数和预紧力的变化对螺栓法兰连接件强度和紧密性影响的分析,结果表明:法兰、螺栓、垫片和载荷等多种参数的改变对螺栓法兰连接件强度和紧密性有着重要的影响,能够直接引起连接件强度和紧密性的增大或减小,因此,在设计螺栓法兰连接件时也应考虑各元件的几何尺寸及施加载荷的大小。
【图文】：

法兰,几何尺寸,筒体

图 2.1 法兰几何尺寸图围的选取兰接头属于轴对称结构，如果选用整体方式建模计算量，选取一个螺栓的对称法兰环结构，也就立有限元模型[57]。模型中包括了两截面间的螺栓头和法兰环相连接的筒体和管板。筒体长度根段[58]，，可以消除筒体边缘轴向应力对法兰处应力

螺栓法兰接头,实体模型

图 2.2 螺栓法兰接头实体模型图 2.3 螺栓法兰接头三维有限元模型4、单元类型的选择本文模型较复杂，需要采用三维实体单元，单元总数为 121933，节点总数为83411。该螺栓法兰接头采用了五种单元类型：SOLID95 结构实体单元、PRETS17栓预紧单元、INTER194 垫片单元、CONT174 接触面单元和 TARG170 目标面单[59]。（1）SOLID95 结构实体单元SOLID95 是三维八节点实体单元 SOLID45 的高级版本，它可以适应不规则的形状而不会损失太多精确度，该单元具有协调的位移性质函数，可以很好的拟合模型的曲线边界[60]。单元定义包括 20 个节点，3 个自由度（UX、UY、UZ）单元方向可以是任意的，该单元具有塑性、蠕变、应力刚度、大变形和大应变能力，因此封头、上下法兰环、筒体、螺栓、垫片都采用 SOLID95 单元来模拟，但用不同的材料编号来区别。（2）PRETS179 螺栓预紧单元PRETS179 被用来定义在已网格化结构的二维或三维预张紧区域，结构可以[61]
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH131

【引证文献】