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压力管道与容器密封结构螺栓预紧载荷确定方法的探讨
核心提示:田园,任欣,高增梁,张康达(浙江工业大学机械制造及白动化教育部重点实验室化
工机械设计研究所,浙江.杭州310032).
摘要】基丁对ASME规范与EN1591-1中螺栓法兰接头设计计算方法的比较,分析了确定
螺栓载荷中存在的问题。通过有限元分析,计算接头各元件柔度,并建立密封结构的载荷-变形曲
线,从而提出了确定合适的螺栓预紧载荷的方法。
关键词】法兰;密封;螺栓预紧载荷
中图分类号:TQ05.8;TQ050.2文献标识仍:A
文章编号:1001-4837(2008)03-0022-05
A Method of Determ in ing the Bolt Preload of Sea ling Structure
in Pressure Pipe and Vessel
TTAN Yuan, REN Xin, GAO Zeng-liang, ZHANG Kang-da
Zhcjiang University of Tcchnology, the MOE Kcy Laboratory ofmcchanicalmanufacturc and
Automation Institute of Process Equipment and Control Engineering, Hangzhou 3 10032, China)
Abstract: By comparing the ASME Boiler and Pressure Vessel Code with the EN 1591 issued by
European Commission of Standardi/ation, some p roblems of existingmethods on determining
the bolt loadswcrc analyzcd. Bascd on the finitc clcmcnt calculation and analysis, the flexibility of
cach part and load -deformation curves of the scaling structurc were gotten. Finally, an imp
roved method on determining p roper value of blol p reload was p roposed
Key words: flange; sealing; blot p reload
螺栓法兰迮接是化工机械、航天航空等工业系统中应用非常广泛的一种可拆迩接结构,对它
的要求是结构元整性和连接紧密性。文中通过有限元分析计算,确定接头各元件朵度,建立结构载
荷-变形曲线,从而提出了一种确定装配工况下螺栓合适的预紧载荷的改进方法。
装配工况下需要的最小螺栓载荷时,接头各部件的柔度决定了密封结构的载荷-变形关系中各曲
线的斜率。图1所示为载荷-变形关系出线的简图,连接件曲线的斜率的倒数即为其柔度。被连
接件山线由垫片、法兰等被连接件的柔度组成,而其中垫片的柔度具有非线性特征。垫片的载荷
变形关系曲线需由加载-卸载试验完成。由此可以看出,各元件的柔度大小决定了密封结构载
荷-变形曲线图的形状和位置,从而也決定了连接件与被连接作加载线的交点,也即装配工况下
需要的合适螺栓载荷值点。
由丁作为起关健密封作用的垫片的载荷-变形曲线貝有非线性和时滞效应,故确定垫片的载衍-
变形关系山线显得十分重要。通过对标准垫片试样进行常溫或高温静载作川下的压缩试验,可以
得到试样的载荷-变形曲线。文献[7~9]中对垫片的载荷-变形行为和试验研究作了详细介绍。
在图1中,连接件和被连接件首先沿加载线加载至B点,达到装配工况的要求。在操作工况下,连
接件绊续加载至C点,被连接件沿卸载线卸载至D点。此时D点对应的载荷值应不小于操作工
况下垫片最小密封载荷,CD段长度对应的载荷大小即为螺栓载荷屮用于平衡流体压力作用的部
分
4有限元计算
在实测垫片数据的基础上,可采用有限元软件 ANSYS建立螺栓-垫片-法兰连接系统的二维或
维有限元模型并进行计算。建模中因需进行预紧计算,枚建立预紧单元,并包括垫片単元和接触
単元。可以从计算结果中获取到接头所有部件的柔度,在此基础上建立密封结构载荷-变形曲线,
并对随后计算过程中确定的螺栓预紧載荷进行校验。在有限元建模及计算过程中需要注意的问
(1)将从试验获得的垫片的载荷-变形关系曲线作为垫片材料数据输入到 ANSYS程序中。垫片
部分采用垫片单元,模型中有可能接触的部分采用接触单元。
(2)有限元计算过程中,可以分为若千个载荷步米完成。主要载荷步包括初始装配、重要的操作
工况等。
(3)在模拟螺栓初始裝配的计算中,可以设定一定大小的预紧载荷,从而得到接头各元件的柔度
(4)将连接件与被连接件的载荷-变形曲线分別给出,得到如图1的载荷-変形图。使图中C点