基于非线性有限元的螺栓法兰接头应力分析

考虑法兰接头各元件之间的相互作用以及垫片材料的非线性,建立了管法兰接头的三维有限元模型,研究了螺栓预紧载荷、介质内压和法兰尺寸对法兰的偏转角度及垫片接触应力的影响。结果表明:螺栓预紧载荷及介质内压的增加均会造成法兰偏转角的增大,从而引起垫片接触应力沿径向方向分布的不均匀程度变大;法兰直径越大,其垫片应力在径向上分布越不均匀;对较小直径的法兰,轴向螺栓力随介质内压的增加而增大,对大直径的法兰,轴向螺栓力随内压增加而减小。     

高温下螺栓法兰联接密封结构三维数值分析

采用有限元法对高温下螺栓法兰联接密封结构进行三维数值分析。分析结果表明,在稳态温度场下,螺栓法兰联接密封结构在内压作用下垫片应力降低,随着温度的升高,法兰转角增大,垫片应力持续减小;在螺栓预紧力、内压以及温度载荷的作用下,螺栓法兰联接密封结构的螺栓应力、垫片平均应力以及法兰转角基本呈线性变化。     

法兰连接系统应力分析

建立了法兰连接系统的有限元模型,分析了垫片在预紧作用下和逐渐加内压以及外弯矩情况下的应力场分布。研究表明,垫片应力在预紧力作用下,随着内压的升高,垫片应力沿径向分布趋于不均匀,螺栓具有不容忽视的弯曲应力。数值计算结果与PVRC（美国压力容器委员会）实验进行了比较,两者结果接近。     

基于紧密度要求的非金属垫片应力场数值模拟

针对密封垫片的实际工作情况,将螺栓-法兰-垫片连接系统看成一个整体进行分析研究,并考虑系统中各元件之间的相互作用。以ASME B16.5标准中的NPS4 Class150法兰为例,建立螺栓-法兰-垫片连接系统的参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为。采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,研究了在不同预紧力和内压载荷的作用下,垫片应力的变化规律。研究结果表明:垫片应力的大小随着螺栓预紧力的增加而增大;随着内压载荷的升高,垫片的应力沿径向和周向分布更加不均匀。研究结果为螺栓-法兰-垫片连接系统的密封性能分析以及有限元法在该领域的应用提供了依据。     

高温下螺栓-法兰-垫片系统密封性能研究

温度和内压载荷对螺栓法兰连接的密封性能有着显著的影响。采用有限元技术,对DN100mm,PN40 MPa的管法兰连接进行了热及结构分析,探讨了高温稳态工况下法兰、垫片和螺栓的温度分布,分析了预紧、加压和升温后的螺栓以及垫片的应力变化。结果表明,法兰、螺栓以及垫片沿径向存在温度梯度;内压作用后垫片应力明显降低;升温后垫片外侧应力减小,内侧应力增大;加压及升温后螺栓应力均增大。     

大口径法兰三维力学有限元分析

建立了螺栓法兰联接大口径法兰的三维有限元模型，在考虑垫片非线性和接触非线性的基础上，研究了预紧工况和承压工况下螺栓、垫片等元件的受载与变形情况。研究表明螺栓外侧应力与预紧力成正比且随着内压的升高而增加：螺栓内侧应力与预紧力成正比但随着内压的升高而降低；法兰偏转量对垫片和螺栓的应力影响较大，随着内压的升高法兰偏转量增加，垫片变形量减小但不均匀性增加。     

基于金属与金属接触型螺栓法兰接头的垫片应力分析

建立了三维参数化弹塑性有限元模型,对DN600 CLASS300金属与金属接触型(MMC)螺栓法兰接头进行了结构以及热-结构耦合分析,研究了预紧力、内压、温度、螺栓和法兰蠕变对垫片应力的影响。结果表明,当法兰密封面与垫片外环接触后,垫片平均应力基本不变,内压对垫片应力影响较小,垫片应力随温度升高而减小,螺栓和法兰蠕变过程中,垫片应力先增大后减小。     

基于螺栓法兰连接系统的垫片应力分析

所建立的参数化三维有限元模型,充分考虑了法兰螺栓联接系统的应力集中、垫片材料非线性特性以及各元件的接触非线性,研究了螺栓法兰连接系统各元件之间的相互作用,分析了预紧力、密封介质内压力等因素对垫片应力的影响。结果表明垫片应力在径向随着节点半径的增大而增大,随着预紧力的增大而增大,随着内压力的增大而减小,在周向螺栓附近的应力明显大于其它处应力。当垫片最外侧应力低于了密封所要求的最低应力时,螺栓法兰连接系统发生泄露。     

基于ANSYS的凹凸管法兰系统密封性能研究

运用ANSYS有限元分析软件,建立凹凸管法兰系统的热-结构数值模型,对系统内各组件的应力与温度对系统密封性的影响规律进行分析。结果表明:法兰管道与螺栓外侧法兰外缘所受应力相对较小,螺栓内侧法兰所受应力相对较大;在预紧、预紧+内压、预紧+内压+温度3种工况下垫片的径向应力过渡方式均为由大变小再变大的变化趋势,且在预紧工况下垫片的压应力最大;自螺栓底面至顶面螺栓轴向应力呈逐渐增大再减小的变化趋势。     

外弯矩下螺栓法兰连接紧密性研究

为准确分析螺栓法兰连接系统的紧密性,利用当量内压法﹑当量轴向力法和变形协调方程,研究外弯矩作用下螺栓法兰连接中的垫片压紧应力。分析结果表明:若利用当量内压法来计算,外弯矩等同于内压,相当于增大了系统的内压,但并不能体现出外弯矩作用下垫片应力在螺栓法兰连接系统分布的不均匀性;而利用当量轴向力法来计算,可以体现出整个系统在承受外弯矩作用导致的垫片应力沿管道圆周方向按余弦分布的不均匀性,并且垫片受拉侧和受压侧的压紧应力相差增大,其中受拉侧垫片应力减小,受压侧垫片应力增大,因此螺栓法兰连接的紧密性需重点考虑受拉侧的垫片应力。     

多试件垫片加速寿命试验装置试验垫片预紧应力误差分析

垫片是螺栓法兰连接系统的核心部件,对垫片寿命进行预测可提高连接系统的可靠性,而减小垫片寿命评价装置试验误差则可提高垫片寿命预测的准确性。以柔性石墨缠绕垫为例,研究多试件垫片加速寿命试验装置的法兰和垫片厚度偏差、加载的同轴度偏差和垫片安装偏差对垫片上应力分布的影响,得到在不同温度和预紧应力下的载荷比,确定试验装置所允许的最大偏差;揭示温度和预紧应力大小对试验垫片预紧应力误差的影响,提出控制预紧应力误差的方法。结果表明：预紧应力误差都随着温度的升高而减小;法兰和垫片厚度偏差引起的预紧应力误差随着预紧应力增大而减小;试验装置加载的同轴度偏差和垫片安装偏差引起的试验垫片的预紧应力误差随着预紧应力增大而增大。以试验垫片预紧应力误差1%为指标,得到法兰和垫片之间的厚度偏差应控制在-0.02～0.005 mm之间,试验装置加载的同轴度偏差应不大于0.33 mm,试验垫片的安装偏差应不大于1.24 mm。对于其他种类垫片,也可以通过提出的方法确定法兰和垫片之间的厚度偏差、试验装置加载的同轴度偏差、试验垫片的安装偏差的范围。     

螺栓法兰连接系统应力强度的研究

螺栓、法兰、垫片连接系统中各元件的应力大小和分布情况,是影响连接系统密封性能的主要因素。将非金属垫片的非线性性能及螺栓、法兰、垫片之间的变形协调关系考虑进去,建立了整个螺栓、法兰、垫片连接系统的有限元模型;研究在螺栓的预紧应力和连接系统的内压载荷作用下,螺栓、法兰、垫片的应力大小和分布情况,为定量研究接头的泄漏奠定基础。     

核级石墨密封垫片应力补偿机理研究

以核级石墨密封垫片为研究对象,对垫片的压缩回弹性能以及密封性能进行试验研究,并采用ANSYS有限元软件对法兰连接进行仿真模拟,分析垫片在常温及高温工况下的应力分布规律,研究垫片的应力补偿机理。研究结果表明,预紧时石墨环和金属外环同时承受螺栓预紧力作用,金属外环承受多余载荷并在内压升高过程中将载荷释放以起到应力补偿作用,维持垫片应力在一定承载范围内基本不变;高温工况下,压力在一定范围波动,垫片即可维持一稳定的应力状态,从而确认了垫片应力补偿机理的有效性。     

大型500 kV变压器主密封法兰系统受力分析

利用有限元分析软件ABAQUS对油浸式变压器的主密封界面的螺栓、垫片、法兰系统进行建模,分析预紧状态下法兰螺栓受力及变形情况,探讨接触应力随橡胶垫片压缩率、流体压力、橡胶垫片硬度的变化规律。结果表明:在螺栓预紧载荷作用下,法兰偏转使螺栓受力不均,箱沿连接处为法兰最易损坏位置,可在箱沿与箱体处加额外刚性固定来增加强度;随着压缩率与流体压力的增大,橡胶垫片的接触应力和von Mises应力均增大;橡胶垫片硬度越大,相同流体压力下的接触应力和von Mises应力也越大,因此当密封界面承受较大流体压力时,应选用硬度大的橡胶垫片。     

PTFE缠绕垫片旋转法兰的强度及密封性能研究

带垫片的螺栓法兰为压力容器管道的重要连接件,现行的基于Waters算法的规则设计难以保证法兰连接承受复杂载荷的完整性及密封有效性,根据欧盟标准BS EN 13445-3-2009附录GA的设计原则,建立PTFE缠绕垫片的压缩回弹本构关系,采用3D非线性有限元方法分析垫片及螺栓连接的旋转法兰组件受到内压及外载作用的强度及密封性能,结果表明螺栓预紧及操作条件下垫片法兰的密封性能及强度性能满足要求,螺栓预紧力的确定与内压及外载的大小,动态变化的垫片压应力、螺栓分散性有关。     

低温法兰接头热-结构耦合分析

螺栓法兰连接被大量应用于LNG低温加气站管线系统中,因LNG具有易燃易爆特性,法兰连接的结构完整性和紧密性需要重点关注。文中研究了法兰、垫片材料的低温属性;结合加气站具体工况,对法兰接头进行了稳态传热分析;综合考虑螺栓预紧力、内压、温度场及材料低温性能,建立法兰连接热-结构耦合有限元模型,对两种不同密封面形式(榫槽面及凹凸面)法兰的密封性能进行了对比研究。分析结果表明:法兰及螺栓材料能满足结构完整性要求;凹凸面法兰垫片接触应力保持能力较好,但内圈节点应力过小,密封性能差;榫槽面法兰垫片接触应力保持能力较差,而适当提高螺栓预紧力可明显改善其密封性能。     

多因素条件下非石棉橡胶垫片密封性能

综合考虑密封介质压力、垫片尺寸效应和预紧力等多因素的影响,对不同工况下的非石棉橡胶垫片进行泄漏率试验,获得不同尺寸垫片的泄漏率与介质压力和预紧应力的关系。结果表明:泄漏率随垫片尺寸的增加而降低,随预紧应力的增大而减小,随介质压力的增加而增加。针对多因素影响下多孔介质泄漏模型对试验数据拟合精度不高的问题,对多孔介质泄漏模型进行修正,改进后的泄漏模型预测结果与试验结果更为接近,可以有效预测非石棉橡胶垫片的泄漏率。     

罐车液相法兰密封性能影响因素研究

以某液氨运输罐车为研究对象,分析罐车液相法兰密封性能的影响因素,指出垫片失效变形、介质内压载荷变化和环境温度变化是影响法兰密封系统的主要因素。建立液相法兰的有限元模型,分析预紧工况下垫片的失效变形、内压载荷和环境温度对螺栓法兰接头密封性能的影响。模拟结果表明：液相法兰紧急切断阀阀根的内芯平面与法兰盘密封垫片之间存在凹陷区域,造成垫片的密封面积减少20.9%,降低法兰接头的密封性能;介质内压载荷的波动对系统密封性能影响很小;温度变化对残余压应力值的影响较大,决定密封条件的最小压力值随温度降低而降低,从而影响法兰的密封性能。     

单锥环同步器摩擦副热结构耦合特性分析

为了研究工况参数和结构参数对单锥环同步器摩擦副温度场和应力场的影响规律,结合同步器实际结构和工作条件,运用Abaqus软件建立摩擦副热-结构的有限元分析模型,采用直接耦合法及控制变量法对单锥环同步器换挡过程中的温度场和应力场进行分析。研究结果表明,单锥环同步器摩擦副的转速差、滑摩时间及接合正压力的增加都使其温度升高和应力增大,其中,增大正压力对其影响尤为显著;初始温度降低不改变同步换挡过程的温升量,但同步环应力显著下降。摩擦锥面锥角减小使温度和应力减小,而同步环内径减小使相同条件下的温度和应力增大。摩擦副温度沿轴向和径向呈递减趋势,沿周向呈均匀分布。     

确定法兰螺栓预紧力的EN法与Waters法对比研究

为了验证不同方法计算所得的螺栓预紧力能否满足密封性要求,选取2种不同尺寸和工况的管法兰-螺栓-垫片模型,进行有限元分析.运用ANSYS Workbench有限元软件建立三维模型,施加温度载荷后得到法兰系统的温度场分布.根据EN13445附录G和Waters方法确定了螺栓预紧力,分别作为初始预紧力施加在对应的管法兰系统上...