基于有限元法的法兰工程设计软件开发.pdf

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1、３０２化工机械２０１７年基于有限元法的法兰工程设计软件开发刘翔于洪杰钱才富（北京化工大学机电工程学院）摘要为实现非标设备法兰的分析设计和优化设计，建立了整体法兰参数化有限元分析模型，根据ＴａｙｌｏｒＷａｔｅｒｓ法兰应力分析和压力容器分析设计中应力分类准则，给出了基于有限元法的法兰强度与刚度计算方法和校核判据，采用ＡＮＳＹＳ参数化设计语言和ＶＢ编程工具，开发了基于有限元法的法兰工程设计软件ＣＦＦＥＡ。应用该软件对某工程中的非标设备法兰进行了优化设计，优化结果符合ＡＳＭＥⅧ２４．１６的规定。关键词

2、设备法兰有限元法优化设计工程设计软件＋中图分类号ＴＱ０５１８１文献标识码Ａ文章编号０２５４６０９４（２０１７）０３０３０２０６法兰作为压力容器设备和管道的重要连接部１法兰参数化有限元分析模型的建立件，广泛应用于石油、化工、能源及机械等各工业１．１法兰参数化有限元几何模型领域。目前，许多国家的法兰设计主要基于以设备法兰结构和几何参数如图１所示。［１～５］ＴａｙｌｏｒＷａｔｅｒｓ法为基本理论的标准规范所开发的工程设计软件。在我国工程设计中，标准法兰主要依据相应标准进行选用，如ＮＢ／Ｔ４７０２０

3、～［６］４７０２７２０１２《压力容器法兰、垫片、紧固件》，非标设备法兰设计普遍采用ＳＷ６设计软件，该软件执行ＧＢ１５０２０１１标准。随着有限元数值计算与计算机技术的进步与发展，有限元法为压力容器、机械设计提供了更加精确的技术手段和计算方法，也为设备法兰数值［７～１０］分析和优化设计提供了强有力的工具。图１设备法兰几何结构和尺寸参数为实现非标设备法兰的分析设计和优化设依据法兰接头几何结构、载荷和约束具有周计，方便工程师对法兰进行直接且精确的结构设期性对称特点，沿周向取整体法兰的１／２ｎ（ｎ为计，避

4、免人工多次试算的复杂过程，笔者采用ＡＮ螺栓个数）结构并以法兰密封面为对称面，建立ＳＹＳ参数化设计语言与ＶＢ编程工具，开发了基法兰有限元分析模型，根据圣维南原理，选取筒体于有限元分析（ＦＥＡ）的工程设计软件ＣＦＦＥＡ。长度ＳＬ≥２．５槡Ｒｔｓ（Ｒ是筒体平均半径，ｔｓ是筒体该软件可直接计算出满足强度和刚度的法兰结构厚度），以消除筒体边缘处应力对法兰应力分布尺寸。［１１］的影响。螺栓个数ｎ根据需要的最小螺栓截基金项目：北京市朝阳区协同创新项目（ＸＣ１４１６）。作者简介：刘翔（１９８７），硕士研究生，从

5、事化工机械设计和应力分析工作。联系人：于洪杰（１９７２），副教授，从事化工过程机械有限元分析、计算机辅助工程等研究，ｙｕｈｊ＠ｍａｉｌ．ｂｕｃｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。第４４卷第３期化工机械３０３［１］面积和ＧＢ１５０２０１１中表７３规定的最小螺栓Ｈ———预紧工况下单位面积上的垫片载ａ间进行估算，取４的整数倍，螺栓孔直径取螺栓公荷，ＭＰａ；称直径的１．１倍。Ｈ———操作工况下单位面积上的垫片载ｐ法兰、螺栓、螺母和筒体的结构单元均采用荷，ＭＰａ；Ｓｏｌｉｄ１８５单元，采用四边形网格划分模型，根据法ｍ——

6、—垫片系数；兰结构、内径大小，软件自动调整单元网格大小，ｐ———介质压力，ＭＰａ；２以保证计算结果的精确性。Ｓ———垫片总面积，ｍｍ；Ｇ１．２边界条件及载荷ｙ———垫片比压，ＭＰａ。法兰有限元模型的边界条件和加载示意图如边界条件６，法兰和筒体外壁为自由边界。图２所示。边界条件７，螺栓根径的横截面，分别施加预紧工况下螺栓载荷和操作工况下螺栓载荷，载荷［２］大小根据ＡＳＭＥⅧ２４．１６节公式进行计算：预紧工况Ｗ＝０．５（Ａ＋Ａ）Ｓ／Ａ（３）ｇｍｂｂｇｂ２操作工况Ｗ＝（０．７８５Ｇ＋２πＧｂｍｐ）／Ａ

7、（４）ｏｂ２式中Ａ———实际螺栓总截面积，ｍｍ；ｂ２Ａ———需要的最小螺栓总截面积，ｍｍ；ｍＳ———常温下螺栓材料的许用应力，ＭＰａ；ｂｇＷ———预紧工况下单位面积上的螺栓载ｇ荷，ＭＰａ；Ｗ———操作工况下单位面积上的螺栓载ｏ荷，ＭＰａ。边界条件８，螺母与法兰接触端面，施加耦合接触约束。１．３法兰强度与刚度校核判据由于介质压力对整个法兰既有径向作用又有图２法兰有限元模型边界条件和加载示意图轴向作用，因此，参照文献［１２］，建立如图３所示边界条件１，与法兰连接的筒体上端面，施加的３条分析路径，路径Ｐ１

8、为锥颈小端与筒体连接轴向固定约束。边界条件２，法兰和筒体内壁，在预紧工况下为自由边界，在操作工况下施加介质压力。边界条件３，沿法兰周向两侧周期性轴对称截面，施加对称约束。边界条件４，垫片内径与法兰内径之间法兰端面，预紧工况下为自由边界，操作工况下施加介质压力。边界条件５，与垫片接触的法兰密封面，预紧工况下为预紧工况下垫片载荷，操作工况下为操作工况下垫片载荷，载荷大小根据ＡＳＭＥⅧ２４．［２］１６节公式进行计算：预紧工况Ｈ＝πＧｂｙ／Ｓ（１）ａＧ操作工况Ｈ＝２πＧｂ