快开门法兰-活节螺栓-垫片系统三维有限元分析.pdf

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第4期(总第179期)
机械工程与自动化
2013年8月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文章编号:1672-6413(2013)04-0036-03
快开门法兰一活节螺栓一垫片系统三维有限元分析
王定标,刘文,杨俊勇,王宏斌
(郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001)
摘要:利用 ABAQUS软件,在考虑螺栓颚紧力和筒体内压的作用下,对快开法兰一活节螺栓一垫片连接结
构进行了有服元应力分析计算,按照JB4732-1995《钢制压カ容器一一分析设计标准》对关键部位进行了
应力线性化处理,并利用此结果进行了应力校核。结果表明,关键部件的应力满足强度的要求
关键词:快开门法兰;有限元;活节螺栓;垫片
中图分类号;TE969:TP391.77
文献标识码:A
0引言
快开门作为炼油、化工等行业中最常用的连接形
形圣维南原理,只须考虑长度L=2.5√RE=2.5×
256×6=97.98mm(其中,R为筒体中径)的一段,
式,由于能更好地满足企业的要求,在石化行业中的应这样可以忽略边界对法兰应力的影响。考虑到简体上
用日益广泛,其结构的合理性及使用的安全性也越来
还有耳板连接结构,现取筒体长度为230mm。在此
越受到关注。由于其连接结构和受力分布相当复结构中,12个活节螺栓均布在上法兰上,为了减少计
杂,难于按常规方法获得其准确的应力分布,因此对其算工作量,本文取连接结构的1/12为研究对象,这样
进行应力分析和安全评价显得格外重要。王定标等提正好有一个螺栓作用于法兰边缘的中央。
出了法兰一垫片一螺栓连接系统,并利用 ANSYS对
其进行了应力分析校核,较准确地了解了该连接系统的
受力情况和应力状況。本文利用 ABAQUS大型通用
有限元软件对快开门法兰一活节螺栓一垫片连接系统
进行了有限元分析,并提取了关键部位的应力状态。
1有限元模型的建立及分析
1.1结构及基本参数
图1为快开门系统的结构图。该结构包括封头、
上法兰、下法兰、缠绕垫片、筒体、活节螺栓、耳板、销栓
图1快开门系统的结构图
等。其中上、下法兰通过活节螺栓连接,法兰之间通过
表1材料属性
缠绕垫片保证其密封,活节螺栓通过焊接在筒体上的
耳板固定。其工作介质为仪表空气,工作温度为43
名称
材料
MPa泊松比基本许用应力
弹性模量E
强度Sm(MPa
C,设计温度为50℃,工作压力为.7MPa设计压力し体「sma「oxoo
147
为1.0MPa,腐蚀裕量为0mm。筒体公称直径为
法兰
16MN II
1.99×1060.3
500、壁厚r为6;上法兰外径为西710、壁厚为42;下
法兰盖
16mn II
1.99×1060.3
法兰外径为645、壁厚为42;活节螺栓为M30、螺栓
活节螺栓35 CRMOA2.02×106
螺母
30CRMAA
2.02×1060.3
204
长度为165;螺母为M30;耳板厚度为10;缠绕垫片外
耳板
S30403
1.99×10°0.3
147
径为544,内径为504、厚度为3。
绕垫片304L/柔性石题1.99×1060.22
118
1.2材料特性
1.4网格划分
在设计温度下各元件的主要材料属性见表1。设
对容易产生畸形的中心区域及活节螺栓孔区域采
计应力强度及弹性模量按照JB4732-1995。
用三棱柱单元网格,其他的区域采用六面体单元网格
1.3几何模型
划分。划分网格后,该模型总的单元数为22039个,
本模型中包含与下法兰相连接的筒体部分,根据总节点数为29853个,如图2所示。
收稿日期:2012-12-24;修回日期:2013-01-15
作者简介:王定标(1967-),男,渐江杭州人,教授,博土,博土生导师,主要从事节能技术与过程装备CAD/CAE/OPT技术方面的研究。
2013年第4期
王定标,等:快开门法兰一活节螺栓一垫片系统三有限元分析
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1.5边界约束条件的处理
温度下材料的设计应力强度),一次局部薄膜应力加弯
定义局部圆柱坐标系,以此圆柱坐标建立边界条曲应力か十か=109MPa≤1.5KSn=220.5MPa,因
件:①筒体下端截面沿Z方向位移为0,即U2=0;②此筒体满足强度的要求。
筒体与法兰截开的两个侧面(包括垫片截开侧面)处沿
S. Tresca
着垂直该面的周向(T方向)位移为0,即Ur=0;③筒
(Avg:759)
体中心轴线处垂直该线的周向和径向位移为0,即
Ur=0,U=0。
8888888
1.6载荷处理
由厂方给出的数据可知筒体、上法兰、下法兰、垫
片内部承受的内压p=1.0MPa,在每个活节螺栓上
施加的螺栓预紧力为76264N。施加边界条件和载
Max:+2488e+08
+1.911e+006
Elem: LUOSHUAN 2585
荷后的有限元模型如图3所示。
Node: 225
in:+1.91e+5
Elem: TONGTIERHAN 1801
y
Node: 46
图5快开门系统应力分布图
(AVR: 75M)
11
R
80988070000
图2快开门系统网格
图3快开门系统边界
划分图
条件示意图
+4,6
Mx:+1.99e+0
2快开门系统的变形及整体应力分布
Elen: TONGTTEBAN 4643
图4为快开门系统的结构变形图。从图4中可以
Node: 4349
Min:+4.633e+06
看出,该系统在施加1.0MPa的内压和76264N的螺
Elen: TONGTTEREAN 4294
Node: 883
栓预紧力后,其最大变形在法兰盖中心处,其值为
4.836×10-m,其余地方的变形量均远小于该值。
图6筒体应力线性化路径
U, Magnitude
Max:+4.836e-004
路径1的总体
+4.836e-04
薄膜应力
4.433e-04
140
+4.031e-04
■露
3.227e-04
路径1的一次
2.824e-04
12
+2.422e-04
2.020e-04
R
局部薄膜应力
得+1:617604
100
1,216e-04
路径1的一次局部
+8.10
80薄膜应力+弯曲应力
B:d.836e0A
Node: FALANGAL. 335
Min:+8.106e07
12
Node: FALANGAL 18015,
厚度/mm
图4快开门系统结构变形图
图7筒体应力分布
图5为快开门系统端部整体结构的应力分布图,<