法兰应力分析评定的问题

4.3803 4.5091 4.638 4.7668 4.8956 5.0245 5.1533 5.2821 5.411 5.5398 5.6686 5.7975 5.9263 6.0551
112.74 124.02 135.29 146.56 157.84 169.11 180.39 191.66 202.93 214.21 225.48 236.76 248.03 259.31
针对这个问题，笔者有以下几点思考： 1，该最大等效应力虽然出现在结构中，但是均发生的部位是法
兰与筒体的焊缝角点处，此处为结构不连续（虽然采用了圆滑过渡），
故此处的应力为 S’=局部薄膜应力+二次应力+峰值应力； 2，按照 JB4732-1995(2005 确认版)规定，峰值应力对结构疲劳产
生影响，此处的应力水平高于材料的屈服极限强度，属于高应力低周 疲劳（E-N），此处是法兰与筒体的连接处，无较大的压力和温差波 动及其他机械载荷的影响，故不记及疲劳的影响。
泊松比ν 0.3 0.3 0.3 0.3
许用应力 137 MPa 96MPa 137 MPa 130MPa
屈服强度 205 MPa 144 MPa 205 MPa 144 MPa
上下法兰的三维模型如下： 采用 solid186 单元进行网格划分：
图 3 网格划分模型
设置边界条件如下：
图 4 网格划分模型
1.5181e-013 11.274 22.548 33.822 45.097 56.371 67.645 78.919 90.193 101.47
Membrane+Bending [MPa] 281.34 270.2 259.08 247.97 236.88 225.8 214.75 203.71 192.71 181.74 170.81 159.93 149.11 138.35 127.69 117.14 106.74 96.543 86.607 77.04 67.999 59.722 52.572 47.065 43.825 43.363 45.764 50.621 57.314 65.28 74.109 83.53 93.362 103.49
94.083 81.151 69.616 60.063 51.763 45.388 41.804 41.716 45.015 50.692 58.04 66.494 75.674 85.27 95.128 105.2 115.42 125.75 136.22 147.02 157.88 168.78 179.7 190.65 202.28 214.15 226.04 237.95 249.88 262.27 275.56 288.87 302.2 315.55
评定 <1.5×130 <3×130
结论 合格 合格
表 4 上法兰危险路径的应力评定
路径 Path1
应力分类 局部薄膜应力 局部薄膜+弯曲应力
应力值 43.825 281.3
评定 <1.5×130 <3×130
结论 合格 合格
以上是法兰的简化模型在 workbench 中的处理结果，然则，你有 没有考虑这样评定是否具有局限性，表 3 和表 4 中，虽然局部薄膜应 力、局部薄膜+弯曲应力分别小于 1.5 倍和 3 倍的设计应力强度，但 是针对图 7 和图 8 中的总应力云图，下法兰和上法兰的最大等效应力 分别是：488.04 MPa , 393.07 MPa.
1.392 1.5185 1.645 1.7716
Membrane [MPa]
49.214
表1
Bending [MPa] 323.46 309.99 296.51 283.03 269.55 256.08 242.6 229.12 215.64 202.16 188.69 175.21 161.73 148.25 134.78
图 1 下法兰与壳体的连接结构参数
图 2 上法兰与壳体的连接结构参数
用 Solidworks 建模并导入 ansysworkbench 16.0 中，材料参数如下：
材料在计算工况下的力学性能参数
材料 S30408 锻件 S30408 板材
温度℃ 20 200 20 200
弹性模量 E 186(GPa) 183(GPa) 186(GPa) 183(GPa)
31.25 32.463 32.897 32.102 31.344 30.631 29.971 29.373 27.611 25.873 24.188 22.575 21.058 19.179 17.041 15.033 13.228 11.736 10.549 9.1401 8.4919 8.7995 9.9968 11.835 13.454 15.396 17.736 20.354 23.169 25.963 28.715 31.76 35.038 38.503
124.24 111.97
100. 88.478 77.583 67.625 59.08 52.64 49.141 49.214 52.844 59.383 67.995 77.998 88.923 100.47 112.45 124.73 137.24 149.92 162.72 175.63 188.61 201.66 214.77 227.91 241.1 254.31 267.55 280.82 294.1 307.4 320.71 334.04
3，此处的应力需要进行控制吗，我的理解是应该需要，S’的应 力水平已经超过材料屈服强度极限，这就意味着此高应力点处已经产 生了塑性变形，局部发生屈服，再看通过该点的法线路径等效应力， 其平均应力小于材料的设计应力强度；再者，S’最大值为 488.04MPa, 材料的抗拉强度为 520Mpa,说明了最高应力处不会发生断裂。
上法兰线性化路径上的等效应力：
表2
Length [mm]
0. 0.12883 0.25767 0.3865 0.51533 0.64416
0.773 0.90183 1.0307 1.1595 1.2883 1.4172
1.546 1.6748 1.8037 1.9325 2.0613 2.1902 2.319 2.4478 2.5767 2.7055 2.8343 2.9632 3.092 3.2208 3.3497 3.4785 3.6073 3.7362 3.865 3.9938 4.1226 4.2515
109.04 118.25 127.71 137.19 146.68 156.19 166.61 177.11 187.62 198.14 208.96 220.87 232.79 244.72
表 3 下法兰危险路径的应力评定
路径 Path1
应力分类 局部薄膜应力 局部薄膜+弯曲应力
应力值 49.214 334.04
Total [MPa] 386.96 352.27 319.71 294.13 268.84 243.82 219.07 201.41 184.76 168.17 151.64 135.87 123.56 111.31 99.165 87.131 76.236 66.721 57.566 48.955 41.213 35.616 32.238 31.45 33.417 37.707 43.71 50.631 58.137 66.022 74.251 82.815 91.487 100.24
Membrane [MPa]
43.825
Bending [MPa] 270.58 259.31 248.03 236.76 225.48 214.21 202.93 191.66 180.39 169.11 157.84 146.56 135.29 124.02 112.74 101.47 90.193 78.919 67.645 56.371 45.097 33.822 22.548 11.274
4，此处应该注意：法兰和筒体连接处的制造检验要求不得低于 JB4732-1995 的规定。
说明：此篇不是应力分析报告，借此想表达出自己在应力分析过程中 遇到问题的疑问和思考，欢迎各位指正。 欢迎进 QQ 群讨论： 369290150 下面有供扫描的二维码：
Total [MPa] 479.6 394.31 362.57 331.02 299.66 268.49 240.29 222.12 203.97 185.85 167.78 149.78 135. 121.11 107.45
1.8981 2.0247 2.1512 2.2778 2.4043 2.5308 2.6574 2.7839 2.9105 3.037 3.1636 3.2901 3.4166 3.5432 3.6697 3.7963 3.9228 4.0493 4.1759 4.3024 4.429 4.5555 4.6821 4.8086 4.9351 5.0617 5.1882 5.3148 5.4413 5.5679 5.6944 5.8209 5.9475 6.074
图 5 边界设置及载荷加载
然后求解如下：
图 6 边界设置及载荷加载
图 7 应力云图
图 8 应力云图
这里我们只针对危险截面处作如下线性化路径：
图 9 Path1 路线图
图 10 Path1 路线图
下法兰（带凹槽）线性化路径上的等效应力：
Length [mm]
0. 0.12654 0.25308 0.37963 0.50617 0.63271 0.75925 0.8858 1.0123 1.1389 1.2654
113.83 124.34 134.96 145.69 156.49 167.36 178.27 189.23 200.23 211.25 222.3 233.37 244.45 255.56
5.5754 6.3589 7.5674 9.1862 11.05 13.064 14.437 15.918 17.536 19.267 20.886 21.953 23.247 24.741
121.3 107.82 94.344 80.866 67.388 53.911 40.433 26.955 13.478 2.9591e-012 13.478 26.955 40.433 53.911 67.388 80.866 94.344 107.82 121.3 134.78 148.25 161.73 175.21 188.69 202.16 215.64 229.12 242.6 256.08 269.55 283.03 296.51 309.99 323.46
Membrane+Bending [MPa] 320.19 306.87 293.57 280.29 267.03 253.79 240.58 227.39 214.25 201.15 188.1 175.12 162.21 149.41 136.74
Peak [M485 34.294 19.046 12.985 12.961 14.794 17.962 21.928 26.367 28.014 29.022 30.102
Peak [MPa] 109.29 84.483 62.337 47.636 33.135 18.812 4.7104 2.7894 8.1413 13.72 19.318 24.211 25.684 27.156 28.63 30.111 30.62 29.993 29.361 28.727 28.097 26.653 24.948 23.25 21.566 19.881 17.725 15.597 13.521 11.536 9.6186 7.7308 6.1995 5.3655
对非标法兰进行应力分析的评定问题
作者：蒋洪波 QQ:469487338 欢迎进群讨论：369290150
法兰的应力分析，对于初学者而言，最好完整建模，模型包括两 配对法兰和垫片、螺柱、螺母，我们此次讨论的重点是：应力评定时， 对应力的限制问题，故简化模型，法兰密封所需预紧力由 SW6 计算 得出；两法兰尺寸如下：