有限元分析最新法兰算例(DOC)

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承受外弯矩作用的法兰接头有限元分析

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万方数据
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承受外弯矩作用的法兰接头有限元分析
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作为研究对象，分析借助有限元软件 !"#$#。在有限元模型中，法兰环、连接壳体、螺栓都采用实体单元 #%&’()* 模拟。使用 +,-./012.3)4 单元模拟垫片的非线性行为，该单元由 !"#$# 自动生成，只考虑轴向力，忽略表面摩擦力。螺母与法兰表面之间采用也忽略摩擦力。 5%,-12-364 接触单元模拟，
［;］由于 :@A5 实验所用传感片的宽度仅为 3786
而垫片宽度为 7384 II，所以传感片只能测量 II，垫圈外周边部分面积上的接触应力，如图 ; 所示。
图3 垫片的应力—应变曲线
法兰受拉侧（图 ; 上半部 :@A5 的外弯矩实验表明，分）对应的垫片应力在外弯矩的作用下急剧降低，因此，认定当垫片应力低于内压时，法兰表面和垫片表面完全分离，此时将产生大量泄漏。另外，
［4］所做的数值分析也证实了上述结论，并 F%JK’(8 ! 将外弯矩作用下的垫片分为压紧和回弹两部分，受
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图7 法兰接头的有限元模型
压侧法兰对应的垫片被重新压紧，即垫片应力增加，而受拉侧法兰对应的垫片产生回弹，即垫片应力减小。故需分别研究每一部分的紧密性，结果表明，合理控制垫片最低应力的分布能够保证接头的紧密行计算，以避免整个垫片上较高的平均应力值掩盖接头真实的泄漏行为。
ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ
螺栓法兰接头广泛用于管道连接，除受压力载荷外，通常还承受其它外载荷，如风载荷、地震载荷、附加管道应力等，当这些载荷达到一定数值时，将引起连接泄漏。因此，研究承受外载荷的螺栓法兰接头已成为密封研究领域的一个新热点。在求解外载荷作用下的螺栓法兰连接问题时，由于其材料特性和外部载荷的不规则性，求其解析解较为繁复。通常寻求近似解，其中有限元法是解决螺栓法兰接头复杂问题既经济又有效的办法。本文采用三维有限元方法，考虑垫片的非线性特性，模拟计算法兰、螺栓、垫片三者之间地相互作用，以及外弯矩对接头性能的影响，以有效地评价法兰接头的紧密性。

有限元分析最新法兰算例

题目：成都石化设计院用于某容器上的带增强法兰的球封头，结构尺寸如图，工作载荷为内压0.8Mpa ，螺栓载荷为535574N ，材料为20R 。

请按照分析设计的要求分析该结构在上述工况下操作时的各类应力并进行强度校核。

一、载荷分析 1.用户数据根据设计图，计算基础数据如下：2.结构参数以下所有厚度均为有效厚度，长度单位：mm中心接管参数图1: 带增强法兰的椭圆封头-中心接管参数示意图封头参数图2: 带增强法兰的椭圆封头-封头参数示意图法兰参数图3: 带增强法兰的椭圆封头-法兰参数示意图3.材料参数4.载荷条件接管端面已自动施加由内外压差引起的边界等效压力。

二、结构分析根据法兰结构特点，应进行带增强法兰的椭圆封头的应力分析，建立力学模型如下：(1)力学模型根据带增强法兰的椭圆封头的结构特点和载荷特性，采用了三维力学模型。

图4: 带增强法兰的椭圆封头网格图(2)边界条件位移边界条件图5: 带增强法兰的椭圆封头X方向约束图6: 带增强法兰的椭圆封头Y方向约束图7: 带增强法兰的椭圆封头Z方向约束力边界条件参见“载荷分析”。

(3)单元选择网格剖分采用8节点六面体单元和6节点三棱柱单元。

三、应力分析结果图8: 带增强法兰的椭圆封头变形图及σp3应力分布图四、强度评定图9: 第1条分析路径局部图第1条分析路径(内节点2917, 外节点883)总体薄膜应力强度：S I = 29.53 < KS m t= 144.20MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 35.39 < 1.5KS m t= 216.30MPa 一次加二次应力强度：S IV = 35.39 < 3.0KS m t= 432.60MPa图10: 第2条分析路径局部图第2条分析路径(内节点572, 外节点673)局部薄膜应力强度：S II = 37.27 < 1.5KS m t= 186.90MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 37.27 < 1.5KS m t= 186.90MPa 一次加二次应力强度：S IV = 42.18 < 3.0KS m t= 373.80MPa图11: 第3条分析路径局部图第3条分析路径(内节点3573, 外节点3600)总体薄膜应力强度：S I = 5.92 < KS m t= 124.60MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 6.59 < 1.5KS m t= 186.90MPa 一次加二次应力强度：S IV = 6.59 < 3.0KS m t= 373.80MPa图12: 第4条分析路径局部图第4条分析路径(内节点4676, 外节点677)局部薄膜应力强度：S II = 13.06 < 1.5KS m t= 171.90MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 13.06 < 1.5KS m t= 171.90MPa 一次加二次应力强度：S IV = 25.13 < 3.0KS m t= 343.80MPa 该容器强度校核合格。

法兰有限元分析1

法兰有限元分析1.下法兰计算1.1 下法兰计算模型下法兰卡紧方式是通过卡箍将产品法兰与加压端法兰卡紧。

经过适当简化，建立如图1所示计算模型。

图1 下法兰计算模型简图在产品法兰上端面施加全位移约束fix-all；在加压端法兰内表面施加压力F。

1.2 下法兰分析结果在t1100压力作用下，产品法兰，加压端法兰以及卡箍的应力分布情况分别如图2，图3，图4所示。

从下图可以看出产品法兰等效应力的最大值为MPa423，位于Φ199通孔6.最薄弱处（如图上Max标示处）；最大主应力的最大值为MPa456，位于Φ1995.通孔边的R100圆弧上（如图下左Max标示处）；最大剪应力为MPa184，位于8.Φ199通孔最薄弱处（如图下右Max标示处）。

图2 产品法兰应力分布图（MPa）从图3上看，加压端法兰等效应力的最大值位于面上那6个黄点上，但那是由于接触引起的局部应力集中，不予考虑，实际等效应力最大值位置位于中心Φ50通孔上，最大值为MPa452，同样位于9.4.337，最大主应力的最大值为MPaΦ50通孔上（如图右Max标示处）。

图3 加压端法兰应力分布图（MPa ）卡箍应力分布如图4所示。

其等效应力的最大值位置如图左Max 标示处，最大值为MPa 4.278；最大主应力的最大值位置如图右Max 标示处，最大值为MPa 1.292。

图4 卡箍应力分布图卡箍的变形用其位移量分布图来表示，卡箍Y 向与Z 向位移量分布如图5。

由图看出卡箍在整个装配中向外位移了mm 901.2，自身向外拉伸了mm mm mm 297.3)396.0(901.2=--。

卡箍在整个装配中轴向位移了mm 048.3，卡箍自身轴向拉伸了mm mm 651.2)863.2(212.0=---。

图5 卡箍位移量分布图（变形效果夸张100倍时效果图）2.上法兰卡抓计算2.1 上法兰卡抓计算模型上法兰卡紧方式是通过卡抓将产品法兰与加压端法兰卡紧。

6瓣卡抓均匀分布在加压端法兰的卡槽里，为了简化计算，取其中1个采用周期对称分析。

特殊形状法兰的有限元分析

特殊形状法兰的有限元分析李春涛;徐福胜;周伟光【摘要】本文重点讲述在进行特殊形状法兰的有限元分析时,如何参照华特斯法进行加栽以及如何进行应力评定.【期刊名称】《中国新技术新产品》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】1页(P4)【关键词】法兰;有限元分析;华特斯法【作者】李春涛;徐福胜;周伟光【作者单位】中航黎明锦西化工机械(集团)有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;中航黎明锦西化工机械(集团)有限责任公司,辽宁葫芦岛125001;中航黎明锦西化工机械(集团)有限责任公司,辽宁葫芦岛125001【正文语种】中文【中图分类】TH13压力容器法兰的设计方法中最有代表性的是华特斯法，长期大量实践证明按该法设计的法兰一般情况下能得到较满意的使用效果，为此被国内外许多压力容器标准所采用。

标准JB4732-1995(2005年确认)（以下简称JB4732）附录D中给出的设计方法即为华特斯法。

华特斯法兰设计方法属于应力分析中的解析法，因此JB4732规定，当载荷、形状、材料、边界条件等符合华特斯法时，法兰的应力分析可以免除。

但对于一些特殊形状的法兰，无法免除应力分析，此时，参照华特斯法施加载荷，并借助有限元进行应力分析，不失为一种简单而有效的方法。

图1给出了几种特殊形状的法兰。

根据华特斯法，螺栓法兰联接设计包括：a）确定垫片材料、型式及尺寸；b）确定螺栓材料、规格及数量；c）确定法兰材料、密封面型式及结构尺寸；d）进行法兰应力计算并对应力进行校核。

相应地，参照华特斯法，对法兰进行有限元分析分为如下五个步骤。

a）垫片的设计以及垫片压紧力的确定垫片的设计是整个法兰联接设计的基础。

对于给定的设计条件（介质种类、设计压力、设计温度、公称直径）可供选择的垫片材料可能是多种多样的。

选用不同垫片材料及采用不同的垫片内径和宽度对整个法兰联接设计结果有较大的影响，设计者对于此步骤应给予高度的重视，但由于本文的重点不在于此，因此不再赘述，后续的论述将以垫片已选定作为前提。

某法兰盘有限元分析报告

法兰盘有限元分析报告姓名：学号：学院：机械学院法兰盘有限元分析报告一，总述本报告依托于。

，针对一个法兰盘，运用Hypermesh9.0进行有限元分析前处理，并用软件自带的RADIOSS求解器进行求解分析确定法兰盘的设计尺寸。

二，研究背景某自卸车转向节设计：转向节的结构形式如下图所示：本报告针对的是上图标号为10转向节的法兰盘进行设计。

充分考虑到自卸车的工况，进行力学分析，得出此法兰盘的应力分布情况，进而确定此法兰盘的结构及尺寸（主要是法兰的厚度设计）。

具体做法是：首先通过UG建模，然后导入Hypermesh9.0进行画网格，并用RADIOSS 进行求解应力分布，获取完全满足材料的屈服极限及疲劳强度的结构。

最终结构及设计尺寸如下模型所示，分析证明这种结构完全满足了自卸车转向节的力学性能且材料经济性。

三，模型的建立1，UG建模法兰盘的厚度是本报告最主要的设计尺寸。

根据经验和同型号其他车型的设计尺寸，初取法兰盘厚度为30mm，在UG中建模如下图所示。

2，画网格将上述UG模型导入到Hypermesh9.0中进行有限元分析前处理，选用五面体和六面体实体网格，画网格后如下图所示3，设置材料参数定义材料属性：弹性模量E=2.1×105 Mpa，泊松比μ=0.3，设置对话框如下图所示4，施加载荷与约束根据法兰盘的受力情况：受到周向力矩，将其装化成沿周向的切向力，故在8个安装孔中心处施加8个大小相等的周向力153KN；在安装面φ400mm上被压紧，没有位移，故在φ400mm上添加约束。

加载后如下图所示：三，计算结果使用RADIOSS求解器求解法兰盘的应力与应变云图如下图所示：应变云图应力云图附，计算结果运行时间四，计算结果分析根据计算结果对比厚度为30mm ，25mm ，20mm 三种情况的应力与应变分布情况，综合考虑力学性能和经济性，选择厚度尺寸为25mm 。

根据上表可知，厚度为25mm 时，最大变形量为0.05mm ，最大应力为98.47MPa 。

刚性法兰在弯矩作用下的有限元分析

!第!+卷第&期 !!"##年&月
广东电力 ?@=A?(BA?CDC7-3975BEC3
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刚性法兰在弯矩作用下的有限元分析
曾程!金晓华
!广东省电力设计研究院"广东广州 %#"’’($
摘要!主要研究了钢管结构中刚性法兰连接在弯矩作用下的受力性能"应用大型有限元软件 ")I2I对刚性法兰盘在弯矩作用下的受力特点进行有限元分析"并将有限元计算结果与 R<($%#%+’!""!)架空送电线路杆塔结构设计技术规定*&R<($%#("’!""#)架空送电线路钢管杆设计技术规定*的计算结果进行对比"为这!个规定中 +刚性法兰节点连接,章节的修编提供参考依据% 关键词!刚性法兰#弯矩#旋转轴#有限元中图分类号!$%!"’!!!!文献标志码!O!!!!文章编号!#""$!!)"&!!"##$"&!""!’!"%
为防止钢管在加载点产生应力集中#另在加载处设置一道刚性环#刚性环两端与钢管连接#荷载加在环上#然后再通过环较均匀的传递到钢管上# 刚性环的刚度为钢管的#"+ 倍(
!!计算结果及分析
*+!!变形及应力分布在所加荷载作用下结构的变形如图(所示#其
弯曲形状及应力分布基本符合结构力学的理论推
导(在两刚性环之间的钢管#侧向中间部位应力值
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广东电力
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中高压法兰蝶阀阀体结构强度的有限元分析

现代的阀门设计中，蝶阀除了按设计标准及规范进行设计外，还需对阀体进行有限元分析计算。
应用ＳｌＷｏｋ软件，ｏｉｒｓｄ可在产品设计的过程中进行分析，并
叮根据分析结果，及时调整设计参数，可节省材料成本及开发成
提大大加快产品上市速度。文选用ＳｌＷｏｋ本ｏｉｒｓｄ介绍了依据通用阀门压力试验国家标准Ｇ／１９７２０，本，高产品质量，ＢＴ３２ — ０８软件，中压法兰蝶阀的阀体进行有限元的分析。对对常温下的中高压法兰蝶阀的阀体进行静压条件下的强度分析，
★来稿日：０９０ — ８期２０ — ９２
第７期
周玮：中高压法兰蝶阀阀体结构强度的有限元分析
２９１
３３加载载荷．
在蝶板开启的静压力状态下，此时阀体上产生的最大应力为
法兰蝶阀在液体静压力状态下，阀体内部作用力垂直作用在３ＭＰ，０．ａ发生在阀体上部与上法兰连接的部位，１４节点２２处，２５１
ＯＭＯ，解决了单独环境下ＣＥ在前后处理方面的Ａ主要由阀体、、蝶板阀轴、驱动装置等组成，当蝶阀工作压力在中、平台下的ＣＳＳ同时还继承了ＳｌＷｏｋ易学易用的特点。ｏｄｒｓｉ高压范围时（Ｎ．８ＭＰ）蝶阀的阀体内部承受的压力较高。问题，Ｐ２ — ０ａ，５
的分析师才能使用，限制了在企业中的应用。ＳｌＷｏｓ因此而ｏｄｒ软受螺栓轴向力作用的法兰内侧平面。当定义约束条件时，Ｏ～ｉｋＣＳ件拥有功能强大的机械ＣＤ功能，Ａ并具有功能完善的应用插件，其ＭＳｐｅｓ自动添加到法兰整个外端面，时应根据实际约束ＯＸｒｓ会此中系统提供的分析产品ＣＳＳ包括了一系列分析应用软件，ＯＭＯ，如情况，对约束的部位进行重新编辑，如图１所示。

钢管杆塔新型内外法兰受弯性能试验研究及有限元分析

Experimental research and finite element analysis on flexural performance of innovative flange joint used in steel poles
HUANG Yu1 ，DENG Hongzhou1 ，JIN Xiaohua2 （ 1． Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092 ，China； 2． Guangdong Electric Power Design Institute，Guangzhou 510600 ，China）
b tmax
（ 3）
假设内外圈螺栓之间的拉力比值满足线性关系： y Ii N BIi = N （ 4） y O1 BOmax 由式（ 1 ）～式（ 3 ）可得外圈螺栓的最大拉力为：（ M － Ne） y O1 N BOmax = （ 5） 2 （ ∑ y2 Oi + ∑ y I i ）内圈螺栓的最大拉力为： y I1 N BImax = N y O1 BOmax
1 1 2 誉，邓洪洲，金晓华
（ 1．同济大学建筑工程系，上海 200092 ； 2．广东省电力设计研究院，广东广州 510600 ）
摘要：提出了一种适用于钢管杆塔的内外法兰连接型式，阐述了该法兰的特点，对节点的设计进行了系统分析，提出了节点螺栓拉力计算模型，指出确定计算螺栓拉力旋转轴的位置是整个新型法兰的研究重点。为考察新型内外法兰的受力性能、节点破坏模式、内外圈螺栓拉力及法兰螺栓群的受力分界线，以白花洞钢管杆工程为背景，进行了 2 个缩尺法兰模型的静力试验。同时，对试验模型进行了非线性有限元分析，试验结果与有限元分析结果吻合较好，分析结果均表明：这种法兰构安全可靠，可用于实际工程。最后，结合试验与有限元参数分析结果，给出了内外法兰受弯时的设计方法，建议计造合理、算螺栓拉力的旋转轴位置可取在距钢管中心 0. 7 r 处（ r 为钢管半径）。关键词：钢管杆塔；新型内外法兰节点；静力试验；有限元分析；螺栓拉力中图分类号： TU392. 3 文献标志码： A

螺栓连接的有限元分析

1 概述螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。

其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。

在航空机载环境下，由于振动冲击的影响，设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。

螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。

传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。

没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。

通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。

用有限元分析软件MSC.Patran/MSC.Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。

因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。

2 有限元模型的建立对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。

多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接。

在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent)，另外一个节点为主节点(Independent)。

主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。

比例因子选为1,使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。

梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam，其能承受拉伸、剪切、扭转。

通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致。

本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。

2.1 几何模型如图1所示组合装配体，底部约束。

两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定。

端面受联合载荷作用。

图1 三维几何模型2.2 单元及网格抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元(shell)，设置壳元厚度等于实际壁厚。

法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。

在法兰上下两节点之间建立多点约束单元(RBE2，算例1,图3)或梁元(Beam, 算例2,图4)来模拟该位置处的螺栓连接。

法兰结构中螺栓预紧力及垫片密封的有限元分析

图1人孔装置结构影响法兰密封的主要因素有螺栓预紧力、垫片密封性能、法兰密封面特征、法兰刚度和螺栓刚度、操作条件等。

预紧力是影响密封的一个重要因素，合适的预紧力可保证垫片在工作时保留一定的密封比压，预紧力过大则会把垫片压坏或挤出，从而破坏密封。

另外，当刚度不足时，法兰会产生过大翘曲变形而导致密封失效。

利用ANSYS 有限元分析软件对法兰结构进行三维有限元分析，找到合适的螺栓预紧力，既能满足密封，又不会使法兰结构产生过大的变形而导致密封失效或强度不足。

密封结构为某核电压力容器人孔装置，结构见图1。

该设备的技术参数为：设计压力为3.0MPa ，设计温度为300℃，工作介质为河水；水压试验压力为4.03MPa ，温度为20℃。

垫片采用石墨缠绕垫片，螺柱螺纹规格为M36×3，材料为0Cr17Ni12Mo2，人孔内径为448mm 。

2螺栓预紧力的计算一般情况下，在确定螺栓预紧力时应综合考虑法兰操作工况、外载荷、法兰刚度、允许泄露率、垫片性能及螺栓上紧方式等因素，按法兰当量计算压力计算螺栓预紧载荷。

单个螺栓最小和最大预紧力可参考如下方法进行计算：p e =16M πG 3+4p rπG 2+p （1）W a =πbGy （2）F =0.785G 2p e （3）F p =6.28Gbmp e（4）W p =F +F p（5）式中：p e 为等效压力，MPa ；M 为外部弯曲力矩，N ·mm ；G 为垫片负荷作用位置直径，mm ；p r 为径向载荷，N ；p 为内压，MPa ；W a 为垫片安装所需最小螺栓载荷，N ；b 为垫片有效密封宽度，mm ；y 为垫片比压力，MPa F 为内压引起的总轴向力，N ；法兰结构中螺栓预紧力及垫片密封的有限元分析赵登东哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司（河北秦皇岛066206）摘要利用ANSYS 有限元分析软件，对人孔法兰结构进行有限元分析模拟。

通过螺栓预紧力公式计算得到螺栓预紧力，将其施加到预紧单元PRETS179来模拟螺栓预紧力，施加到接触单元和垫片单元INTER195来模拟垫片的接触密封结构。

大口径法兰三维力学有限元分析

Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ａｈｅｄｍｅｓｏａｃａｉａｄｌｏｏｔｄｆｎｅｉｉｔｗａｕｌ．Ｂａｅｎｔｅｃｎｉｅｉｇｏｈｔｒｅ— ｉｎｉｎｌｍｅｈｎｃｌｍｏｅｆｂｌａｇｏｎｓｂｉｅｌｔｓｄｏｈｏｓｄｒｎｆｔｅ
ｐｅｓｒ．ｅｄｆｅｔｏｆｈａｇｓｄｒｃｒｐｒｉｎｔｈｎｅｒｓｕｅａｄｈｓｅｅｔｎｔｅｓｒｓｆｔｅｇｓｅｒｓｕｅＴｈｅｃｉｎｏｅｆｎｅｉｉｅｔｏｏｔｏｔｅｉｎｒｐｅｓｒｎａｆｃｈｔｅｓｏａｋｔｌｔｌｐｏｏｈａｄｔｅｏｔｔｅｅｏｍａｉｎｆｔｅａｋｔｅｕｅａｄｔｅｎｖｎｉｔｉｕｉｎｎｒａｅｗｉｔｅｎｒａｅｆｎｈｂｌｈｄｆｒｔｏｈｇｓｅｒｄｃｄｎｈｕｅｅｄｓｒｂｔｉｃｅｓｄ，ｏｏｔｈｉｃｅｓｏｈ
ａｄｗｏｋｎｔｔ．Ｔｅｉｖｓｉａｉｎｓｏｄｔａｈｕｓｄｔｅｓｏｏｔｉｄｒｃｒｐｒｉｎｔｈｒｌａｎｈｎｒｉｇｓａｅｈｎｅｔｇｔｏｈｗｅｈｔｔｅｏｔｉｅｓｒｓｆｂｌｓｉｅｔｐｏｏｔｏｔｅｐｅｏｄａｄｔｅｏｉｎｒｐｅｓｒ，ｔｅｎｉｅｓｒｓｆｂｌｓｄｒｃｒｐｒｉｎｔｔｅｐｅｏｄａｄｓｎｅｓｒｐｒｉｎｏｔｅｎｅｎｅｒｓｕｅｈｉｓｄｔｅｓｏｏｔｉｅｔｐｏｏｔｏｈｒｌａｎｉｉｏｉｖｒｅｐｏｏｔｔｈｉｎｒｏ

汽爆罐快开齿啮法兰结构的有限元分析

１装置结构及设计条件１１装置结构．
２０Ｃ，０￣工作介质为过热蒸汽与压缩空气的混合
物，体尺寸如图２所示。具
汽爆罐快开装置结构一般由球形罐盖、盖罐
｝钟文飞，，９１８月生，理工程师。江苏省常州市，１０６男１８年助２３１。
１２设计条件．球形封头和罐体的厚度均为２ｒ材料为２ｍ，ａ
１Ｍｎ罐盖法兰、体法兰的材料为１ＭｎＩ级６Ｒ，罐６Ｉ锻件，设计压力为１９ａ内直径为１２０ｍ，．ＭＰ，０ｒ齿ａ数／７，＝１，计疲劳寿命为１，计温度为６设０次设
合时的整体有限元参数模型。罐体法兰与罐体连接处存在结构不连续，型中取罐体长度为模
３０ｍ（０ｒ大于该结构的２５￣硒值，中尺为罐ａ．／其
方法对汽爆罐快开齿啮法兰结构进行计算与分析，对危险截面进行了强度评定和疲劳分析。关键词汽爆罐面一接触快开装置有限元分析面
中图分类号Ｔ０３２Ｑ５．文献标识码Ａ文章编号０５－９（０１Ｏ－０６０２４０４２１）ｌ６－６０４
置结构如图１示。所
定时间，再突然减压，产生二次蒸汽，其体积猛使
增、固体物料结构破坏，而完成原料的预处理。从

深水立管法兰接头的有限元分析

第37卷　第5期2008年10月船海工程SHIP &OCEAN EN GIN EERIN G Vol.37　No.5Oct.2008　收稿日期:2008206206修回日期:2008207225作者简介:马　刚(1984-),男,硕士生。

研究方向:深海立管及管道结构设计分析。

E 2mail :magang26@　文章编号:167127953(2008)0520090205深水立管法兰接头的有限元分析马　刚,孙丽萍,白　勇,戴　伟(哈尔滨工程大学船舶工程学院深海工程技术研究中心,哈尔滨150001)摘　要:针对深水立管法兰式接头,提出一种确定螺栓预紧力的方法,并采用有限元法对其进行了强度分析。

考虑到接头的几何不对称性,采用三维整体建模,通过ANSYS 软件的预紧单元模拟螺栓的预紧行为,使用接触单元模拟各部件之间的相互作用。

按照A PI 规范对接头的等效膜应力、等效弯曲应力与许用应力进行校核。

在接头整体分析的基础上,建立螺纹的二维轴对称模型,进行局部应力分析。

计算中使用参数建模法,法兰接头、螺纹的几何尺寸、材料性质和载荷等均可方便地更改。

关键词:接头;法兰;螺栓;有限元;深水立管中图分类号:U173.2 文献标志码:AFinite Element Analysis of DeepwaterRiser Flange CouplingsMA G ang ,SUN Li 2ping ,BAI Yong ,DAI Wei(Deepwater Engineering Research Center ,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China )Abstract :A new method was proposed to calculate the pretension of bolts and introduces methods of chec 2king the strength ,stress concentration of this kind of coupling.The 3D finite element model was established in Ansys.The pretension of bolts was simulated with the pretension element ,the contact pairs were built to deal with interaction between different sections.Methods of stress linearization were proposed to derive different types of stress ,such as membrane stress ,bending stress ,membrane plus bending stress and so on according to A PI.Each type of stresses was checked respectively in the strength analysis.Stress concentration factors were calculated and checked.The section of bolts threads was analyzed based on the results of the coupling analy 2ses.Both of the models are designed with parameters so that it is convenient to change the dimension ,material and loads of the models in order to get a better coupling.K ey w ords :coupling ;flange ;bolt ;finite element method ;deepwater riser 立管系统是连接水面浮式结构与海底井口的重要结构。

带金属O型环法兰的密封性能有限元分析

考虑材料的应变强化效应，对于金属Ｏ型环，６］为选择双线性随动强化材料模型．材料切线模量［
５］材料的主要性能参数［见表１．
表１材料性能参数Ｔｒｏｅｒｔａｒａｍｅｔｅｒｓａｂｌｅ１Ｍａｔｅｒｉａｌｐｐｙｐ／材料弹性模量Ｅ部位ＧＰａ泊松比ｖ法兰Ｆ３１９１０．３０ＳＡ３５０Ｌ－螺柱、螺母１９３ＢＳＡ７Ｍ２０４０．３０－Ｏ型环Ｐ３１６Ｌ１９５０．３１ＳＡ２１３Ｔ－
（，Ｈ），Ｃａｎｚｈｏｕ３１００１４，ＣｈｉｎａｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔＺｈｅｉａｎｌｅｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｌｇｙｇｙｊｇｇｇｇ
基于该方法
［２］
但理论解法略去了非线性因素．
［３］
，对
法兰的密封行为难以有效预测，因此借助有限元工具进行计算是一种有效且可行的方法．法兰连接的失效模式既有强度失效又有密封失效，但密封失效是主要的失效模式
收稿日期：０５０４４２０１－－
＊４ＰＲ烄２）＝ＥＰ（ｓ－ｓ２Ｒ π Ｅ＊烅２２１－ｖ１－ｖ１ＡＢ＋＊＝烆ＥＡＥＢＥ
槡
）表示接触压力的分布函数；式中：Ｐ（ｓＥ＊为等效弹性模量；Ｐ为法向载荷；Ｒ为柱面的半径；ｓ为接触点到接触中心的距离；ＥＡ，ＥＢ分别为Ａ，Ｂ两个接触物体的弹性模量；ｖｖＡ，Ｂ分别为两物体的泊松比．但Ｈ材料完全弹性ｔｚ解析解适用于小应变、ｅｒ［］７８－，在求解法兰密封面的接触及不考虑摩擦的情况压力时，会与实际情况产生较大偏差．此外，螺栓和法兰之间，以及上、下法兰之间均存在接触副．故对借助于有限于含有非Ｈｔｚ接触的法兰连接结构，ｅｒ元法求出接触问题的数值解．１．３有限元模型及加载法兰接头为周期对称结构，为减少计算量，沿周／向取结构的１根据圣维南原理，５２建立计算模型．取大于为消除管道边缘效应，沿法兰轴向（Ｚ方向）的Ｒｍｔ（Ｒｍ为管道的平均半径；ｔ为管道壁厚）２．５槡一段管道长度．采用ＡＮＹＳ软件提供的３维２０节点等参单Ｓ对结构进行离元Ｓｉｄ１８６及其退化单元Ｓｉｄ１８７，ｏｌｏｌ散．使用预紧单元Ｐ根ＴＳ１７９加载螺栓预紧力．ＲＥ

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题目：成都石化设计院用于某容器上的带增强法兰的球封头，结构尺寸如图，工作载荷为内压0.8Mpa ，螺栓载荷为535574N ，材料为20R 。

请按照分析设计的要求分析该结构在上述工况下操作时的各类应力并进行强度校核。

(3)单元选择网格剖分采用8节点六面体单元和6节点三棱柱单元。

五、结论1. 所有A、B类焊缝需100%无损检测，合格标准按JB4732-95的规定。

2. 锻件和封头、锻件和筒体小园弧加工完成后，需进行表面磁粉检测。

3. 所有对接焊缝需打磨至与母材平齐。

4. 本设备的设计、制造均按JB4732-95标准进行。

5. 在达到上述要求后，该容器在设计条件下的强度是满足JB4732-95标准规范要求的。

附录A 带增强法兰的椭圆封头应力分类数据A1 第1条路径的应力强度值外节点883 内节点2917###################线性化应力################外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91弯曲应力 10.99 13.65 3.33 -3.16 -1.32 0.96峰值应力 0.48 0.37 0.67 0.03 0.10 -0.01中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力 -0.10 -0.07 0.01 -0.00 -0.10 0.05内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 26.95 21.16 0.38 4.79 -1.94 0.91弯曲应力 -10.99 -13.65 -3.33 3.16 1.32 -0.96峰值应力 -0.08 -0.10 -0.72 -0.02 0.31 -0.19###################主应力与等效应力##################外节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86弯曲应力 15.96 8.89 3.12 12.84 11.14峰值应力 0.70 0.49 0.33 0.37 0.32中间点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力 0.09 -0.10 -0.15 0.25 0.22内节点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力 29.66 18.70 0.13 29.53 25.86弯曲应力 -3.12 -8.89 -15.96 12.84 11.14峰值应力 0.09 -0.10 -0.89 0.97 0.89####################应力分类结果：##################PM PM+PB PM+PB+Q PM+PB+Q+F 外节点 29.53 35.39 35.39 35.19中间点 29.53 29.53 29.53 29.45内节点 29.53 23.75 23.75 24.33A2 第2条路径的应力强度值内节点572 外节点673###################线性化应力################内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力 -18.85 -0.75 -4.14 1.99 0.19 -4.86 峰值应力 1.70 2.72 -0.03 0.04 0.04 0.56 中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 0.74 -1.04 0.24 -0.11 -0.09 0.41 外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 16.32 36.85 0.28 2.23 0.18 2.73 弯曲应力 18.85 0.75 4.14 -1.99 -0.19 4.86 峰值应力 0.96 2.28 -0.13 0.01 0.13 -0.52###################主应力与等效应力##################内节点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33弯曲应力 -0.49 -2.75 -20.51 20.02 18.99峰值应力 2.73 1.87 -0.20 2.93 2.61中间点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力 0.98 0.01 -1.05 2.04 1.77外节点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 37.10 16.53 -0.17 37.27 32.33弯曲应力 20.51 2.75 0.49 20.02 18.99峰值应力 2.29 1.17 -0.34 2.63 2.29####################应力分类结果：##################PL PL+PB PL+PB+Q PL+PB+Q+F 内节点 37.27 37.27 42.18 46.17中间点 37.27 37.27 37.27 34.96外节点 37.27 37.27 35.02 39.28A3 第3条路径的应力强度值内节点3573 外节点3600###################线性化应力################内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力 0.36 -0.21 0.03 0.16 0.00 0.02 峰值应力 0.01 0.03 0.01 -0.01 -0.00 -0.00 中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 -0.01 0.00 -0.00 -0.00 0.00 -0.00 外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 5.24 0.11 2.72 1.48 0.00 -0.00 弯曲应力 -0.36 0.21 -0.03 -0.16 -0.00 -0.02 峰值应力 0.03 -0.03 -0.00 0.02 -0.00 0.00###################主应力与等效应力##################内节点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13弯曲应力 0.41 0.03 -0.26 0.66 0.58峰值应力 0.03 0.01 0.00 0.03 0.03中间点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00外节点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 5.64 2.72 -0.28 5.92 5.13弯曲应力 0.26 -0.03 -0.41 0.66 0.58峰值应力 0.03 -0.00 -0.04 0.07 0.06####################应力分类结果：##################PM PM+PB PM+PB+Q PM+PB+Q+F 内节点 5.92 6.59 6.59 6.55中间点 5.92 5.92 5.92 5.91外节点 5.92 5.26 5.26 5.33A4 第4条路径的应力强度值内节点4676 外节点677###################线性化应力################内节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力 5.74 5.23 14.27 0.09 -0.27 -4.73 峰值应力 -1.25 -1.14 -2.68 -0.03 0.03 0.63 中间点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 峰值应力 0.77 0.71 1.63 0.02 -0.01 -0.25 外节点Sx Sy Sz Txy Tyz Tzx 薄膜应力 0.68 -2.13 8.33 0.04 -1.01 -4.75 弯曲应力 -5.74 -5.23 -14.27 -0.09 0.27 4.73 峰值应力 -2.80 -2.96 -7.43 -0.04 -0.18 0.48###################主应力与等效应力##################内节点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59弯曲应力 16.38 5.22 3.64 12.74 12.03峰值应力 -1.01 -1.14 -2.92 1.91 1.85中间点S1 S2 S3 SP3 SP4薄膜应力 10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59弯曲应力 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00峰值应力 1.70 0.72 0.69 1.01 0.99外节点S1 S2 S3 SP3 SP4 薄膜应力 10.67 -1.40 -2.39 13.06 12.59弯曲应力 -3.64 -5.22 -16.38 12.74 12.03峰值应力 -2.73 -2.96 -7.49 4.75 4.64####################应力分类结果：##################PL PL+PB PL+PB+Q PL+PB+Q+F 内节点 13.06 13.06 25.13 21.43 中间点 13.06 13.06 13.06 14.93外节点 13.06 13.06 2.61 10.49。

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