非标法兰连接系统结构设计及应力分析

法兰、垫片、螺栓连接系统是压力容器及管道设计中的重要内容,同时也是工程设计及使用过程中容易出现问题的关键部位.由于工程应用需要,对公称直径为450 mm的非标管道法兰、垫片、螺栓以及阀门连接系统进行了设计,开发出膨胀石墨和0Cr18Ni10Ti两种材料覆合的新型垫片.同时,将该系统作为一个整体,考虑到法兰旋转、内压对法兰、垫片、螺栓以及阀门的受力与变形的影响,应用三维有限元技术,分析在螺栓预紧过程和加压过程中法兰连接系统的整体应力分布.结果表明,法兰、螺栓等的应力强度满足要求,垫片应力及残余压紧压力满足密封要求,设计的非标法兰连接系统结构合理,应力分布均匀,使用情况良好.     

高温法兰连接系统温度场的有限元分析

利用有限元软件ANSYS创建法兰连接系统的三维温度场模型,建立螺栓、法兰、垫片间的接触对.设置边界条件及对流传热系数,研究了500 ℃高温条件下炼化装置中法兰连接系统的温度场及热流,并分析了法兰、螺栓、螺纹、螺母、垫片、空气柱的温度分布规律及具体温度值.结果表明:法兰温度从内壁面到外壁面逐渐降低,靠近螺母端外侧温度最低为334.952 ℃;螺栓温度从两端到中间呈现为先增大后减小的规律,螺栓内外侧温差最大值在螺栓的两端;垫片温度沿周向变化很小,垫片温度沿径向由内到外呈线性减小;上、下两段空气柱的温度关于垫片中面对称分布,靠近垫片端内侧温度最高.     

高温螺栓法兰连接结构及风险分析

利用Ansys-Workbench,对400.00℃下的螺栓法兰连接系统进行热-结构耦合分析,研究了高温条件下螺栓法兰连接系统的密封性能。结果表明,温度从法兰内壁由内至外逐渐降低,最大应力出现在螺母与法兰盘的接触面上,最大应变出现在垫片上。对常温及400.00℃的垫片进行了密封评定,同时针对高温下连接系统中垫片易密封失效的问题,通过建立垫片强度失效的贝叶斯网络,基于专家评估等一系列方法计算得到先验概率,再利用贝叶斯网络反向推理计算根节点的后验概率并排序,找出导致垫片失效的主要因素,从而提高了垫片在使用过程中的可靠性。     

基于有限元分析的高温管道法兰密封设计

针对石油化工领域内设备的管道法兰连接系统的泄露问题,为提升其安全性,提出了一种法兰密封的设计方法。以某试验台高温管道处的法兰连接系统为研究对象,根据Taylor-Waters法对该连接系统垫片处进行紧密性分析,建立该连接系统的三维有限元模型。进而,对该连接系统进行温度场分析以及对该系统各部件的法兰连接不连续部位进行沿路径的线性化分析,得到法兰、螺栓、垫片的稳态温度场分布。结果表明：法兰内外壁温度具有沿半径方向逐渐降低,沿轴线方向呈先增后减趋势等规律。其次,根据《钢制压力容器——分析设计标准（2005年确认）》,对法兰接头进行强度评定,可知不同工况时,上下法兰、螺栓与垫片应力分布云图均具有对称性,且经多次应力评定,该法兰与螺栓的强度均能满足要求。最后,对垫片作路径分析,得各工况下的垫片压应力均远大于其初始密封比压,该垫片具有良好的密封性。     

压力容器联接系统刚性分析的矩阵方法

用矩阵分析与有限元相结合的方法,定量地分析确定压力容器螺栓法兰连接系统的刚性。它可模拟整个容器连接系统在不同预紧程度和操作压力下容器的密封性能和零部件的应力变化情况,据此编制的专用程序可用来计算各种加压工况下螺栓、法兰和垫片的应力及系统的变形。同常规方法相比,本方法更接近实际,更为方便有效。     

深水管道法兰连接机具的设计与试验研究

针对深海作业环境,采用自动法兰连接机具完成石油管道法兰连接可以有效地提高管道的铺设及维修效率.本文分析了管道法兰连接的作业流程,提出了法兰连接机具的总体设计方案,同时完成了螺母库及拉伸器库的三维结构设计.通过ADAMS仿真软件对螺母库的螺母引入机构进行运动学仿真,结果验证了其结构方案的可行性.分析了螺母引入机构工作过程中所受摩擦阻力和连接螺栓所需的预紧力,为法兰连接机具液压系统的设计提供了理论依据.通过管道法兰的陆上连接试验验证了法兰连接机具设计的合理性.     

基于MonteCarlo法管道连接法兰泄漏概率计算

运用有限元软件Ansys对螺栓法兰接头进行模拟,得到了在预紧和操作工况下垫片的应力分布,计 算出不同内压工况下垫片的应力。采用MonteCarlo法在管道工作压力不断波动时进行可靠性分析,创建极限方程 并根据极限方程应用大型软件Matlab以变量的分布类型对变量进行反复随机抽样,计算出不同工作压力下螺栓法 兰泄漏的概率。分析结果表明,工作压力的波动产生的附加载荷对螺栓法兰泄漏会产生很大的影响,必须加以足够 的重视。     

螺栓法兰连接系统的热应力场

利用有限元软件ABAQUS建立了螺栓法兰连接系统的实体模型,采用热结构耦合分析方法,研究了法兰公称直径为100 mm的螺栓法兰系统的温度场及其应力场,以及在预紧力和温度梯度操作条件下螺栓等效应力、轴向应力、径向应力和切向应力的变化关系.结果表明,温度场对螺栓轴向两端的应力影响较大,当内壁温度为100 ℃时螺栓头靠近法兰一侧的等效应力增加了250 MPa,螺栓上靠近法兰一侧的螺纹的等效应力增加100 MPa,而温度场对螺栓远离法兰一侧的螺纹的应力影响很小,说明设计时应重点考虑热应力对靠近法兰一侧的螺纹与螺栓头的影响.     

塔设备连接法兰的校核方法研究及应用

为了解决石化行业中塔设备连接法兰腐蚀后的连接可靠性问题,降低生产过程中的事故发生概率,对法兰校核方法进行了研究,并结合工程实例,提出了用有限元软件AxiPRO对法兰连接系统在内外载荷共同作用下的强度和刚度校核方法,克服了法兰设计校核标准中不考虑外部载荷的影响和只进行强度计算的弊端.首先对法兰连接系统进行强度校核,通过等效应力原则确定连接系统中的危险区域,考核其是否满足强度要求;然后对法兰密封性进行了计算,根据垫片应力分布情况推断法兰的泄漏情况及泄漏趋势,最后给出了法兰泄漏预判断的有限元分析方法流程.     

大跨越输电塔螺栓和法兰连接的有限元分析

以某大跨越输电塔工程为背景,利用ANSYS三维有限元分析软件建立了大跨越输电塔上螺栓和法兰连接的三维有限元模型.在考虑非线性接触的基础上,通过螺栓和法兰连接的接触问题在ANSYS中的实现,分析了螺栓和法兰连接在承受风载荷情况下的强度问题,对ANSYS在螺栓和法兰连接接触模拟方面的实现具有借鉴意义.     

基于ANSYS鼓形齿联轴器螺栓联接有限元分析

采用ANSYS对非标准鼓形齿联轴器螺栓联接进行有限元分析．首先,利用UG软件进行联轴器螺栓联接实体建模;然后,用ANSYS软件对其进行有限元分析．考虑螺栓联接的接触特性,通过改变摩擦因数分析螺栓所受的拉伸应力和剪切应力,得到螺栓受拉伸和受剪切的危险截面均在螺母与内齿套法兰结合面靠近内齿套外圆部位;摩擦因数增大时螺栓所受拉仲应力明显减小,而剪切应力变化不大;选择高强度联接螺栓和螺母、通过合理的加工工艺适当增加法兰面的摩擦因数,可保证螺栓联接强度。     

法兰-螺栓联接对加速器对中装配同轴度的影响

针对直线感应加速器对中装配同轴度要求高的特点,考虑法兰、螺栓和密封垫相互作用,建立了加速器对中装配法兰－螺栓联接的三维有限元模型,分析了螺栓预紧力对加速器对中装配时同轴度的影响作用。水平面上的螺栓预紧力与其它螺栓预紧力的差异变化对组元轴线改变的影响最大,而处于竖直方向上的螺栓的预紧力差异对同轴度的影响较小。因此在实际装配中应更注意水平方向的螺栓预紧力的控制。研究结果为加速器对中装配同轴度提高提供依据。     

高强螺栓T型钢连接节点三维非线性有限元分析

通过对高强螺栓T型钢连接节进行三维非线性有限元分析,研究和探讨了螺栓间距,T型钢翼缘、柱翼缘及柱腹板厚度等因素对于节点初始连接刚度、梁的延性破坏以及本身接触状态的影响．     

高耸塔架结构节点联结螺栓松动等效模型研究

法兰连接是输电线塔等高耸钢结构中常用的一种连接方式,法兰处螺栓的松动是结构容易发生的损伤。如果损伤发生进而继续发展必将会危害到结构的安全。因此及时发现螺栓联结损伤并进行修复对结构的安全非常重要。该文对螺栓松动损伤引起结构刚度的影响进行了研究,并通过优化等效的方法建立了不同螺栓松动损伤下的分析模型,为高耸塔架结构节点螺栓松动损伤诊断系统的建立提供了依据。     

螺纹结构精确有限元建模及有效性分析

在对螺纹部件进行有限元分析时，由于螺纹复杂的几何结构，螺纹部件的内外螺纹面往往难以啮合，常造成螺纹结构有限元建模困难、模型数值计算收敛性差等问题。本文基于螺纹垂直于其轴线的任意横截面几何形状相同的事实，选取国际标准化组织（ISO）制定的标准螺旋线公式，采用三维八节点单元，精确建立了螺纹连接件有限元模型。该模型不仅考虑了螺纹螺旋升角对模型的影响，且组成每个节距的单元层整齐排列，每层单元上的节点编号有序分布，内外螺纹面上的节点相互贴近。这些特质使得模型能够准确映射工程中螺纹连接结构的力学特性、优化模型数值计算收敛状况、便于对模型数值计算结果开展力学剖面分析。为验证本文螺纹连接结构有限元建模方案的有效性。首先从理论分析方面对螺纹连接结构中拧紧转角与预紧力的关系和螺纹连接结构中轴向力的分布进行了计算推导，并以M12标准螺栓为例计算出其轴向力分布。然后通过数值实验的方法先后验证了该螺纹连接结构拧紧转角和预紧力关系与理论分析结果的一致性、M12螺栓的轴向力分布与理论计算结果的一致性、螺纹齿根处应力集中系数状态与实验结果的一致性、应力分布和塑性应变分布与实际工程测量的一致性。该螺纹连接结构有限元模型生成的方案通过C++编程语言在Qt平台上借助OpenGL工具开发了一款“螺栓螺母有限元参数化建模软件”，软件可根据输入的螺纹直径、节距数量等参数快捷地查看和生成不同型号的螺栓螺母三维有限元模型，在工程分析和优化设计中，既避免了设计人员繁琐的重复劳动，又提高了设计精度和工作效率，能更好地满足实际工程需要。     

高强螺栓端板连接节点的非线性有限元分析

目的 研究高强螺栓对端板连接节点力学性能的影响．方法 采用有限元分析软件ANSYS，考虑螺栓数目、螺栓直径、端板厚度等影响因素，对高强螺栓端板连接中的外伸式节点进行三维非线性有限元分析．结果 螺栓数目、螺栓直径以及端板厚度对节点极限承载力都有不同程度的影响．8个螺栓的节点受力较为合理，比6个螺栓的端板连接的极限承载力提高近30％，能充分利用梁柱材料．端板厚度的变化影响节点的初始连接刚度，但对节点的极限承载力影响不大．结论 增大螺栓直径可以有效地提高节点的极限承载力．螺栓数目的不同影响节点螺栓的应力变化和各排螺栓屈服的先后顺序．端板厚度的增加在端板较薄时对节点的初始刚度影响明显．     

腹板双角钢梁柱连接的滞回性能

为了研究腹板双角钢梁柱连接的滞回性能,在考虑材料、几何和接触状态非线性基础上,采用三维实体单元对腹板双角钢梁柱连接进行了循环加载有限元模拟.系统研究了角钢厚度、角钢长度、与柱连接角钢肢螺栓中心线到与梁连接角钢肢背距离以及高强螺栓直径和级别等参数对连接承载能力和滞回性能的影响.有限元分析结果表明:大部分连接在循环荷载作用下表现出良好的延性,转角超过0.04 rad,抗弯强度不大,可作为铰接节点;少部分连接具有相当的抗弯能力,在结构分析中,须考虑节点抗弯强度对框架性能的影响,不能简单作为铰接处理.建议在设计时,螺栓的线距在满足构造要求同时,取最大线距值;连接在满足抗剪要求的前提下,螺栓中距和端距应取最小构造间距,以保证角钢长度取值较小.