基于ANSYS Workbench螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元分析

史天翔 辜嘉誠(chéng) 史江 辜國(guó)玲

摘 ?要：現(xiàn)以油氣管路連接法蘭的氣密性檢驗(yàn)為分析背景，利用UG三維建模軟件建立法蘭和螺栓連接的三維實(shí)體模型。使螺栓和法蘭連接的接觸問(wèn)題在ANSYS Workbench中得到實(shí)現(xiàn)，從而完成法蘭在工況載荷作用下的強(qiáng)度分析問(wèn)題。在計(jì)算完成后，分析了法蘭的密封性能，這對(duì)在ANSYS Workbench中模擬螺栓和法蘭連接方面提供了參考。

關(guān)鍵詞：氣密性;螺栓和法蘭連接;ANSYS Workbench;強(qiáng)度分析;密封性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0111-02

Abstract： Based on the air tightness test of the connecting flange of oil and gas pipeline， the 3D solid model of flange and bolt connection was established by UG 3D modeling software.The contact problem of bolt and flange connection is realized in ANSYS Workbench， so as to complete the strength analysis of flange under working load.After the calculation， the sealing performance of the flange is analyzed， which provides a reference for simulating bolt and flange connection in ANSYS Workbench.

Keywords： air tightness; bolt and flange connection; ANSYS Workbench; strength analysis; sealing performance

引言

螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)是重工業(yè)中必不可少的重要部件，被廣泛應(yīng)用于石油化工、電力設(shè)備等工程機(jī)械中。本文采用ANSYS Workbench有限元分析軟件模擬法蘭及其與螺栓、墊片三者之間的相互作用，并最終觀察接觸密封區(qū)域的分布情況。

1 有限元模型的建立

某螺栓法蘭連接部件是由一對(duì)長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭、密封平墊片及12根螺栓組成。考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，選取整體結(jié)構(gòu)的1/12建立循環(huán)對(duì)稱(chēng)三維法蘭模型。法蘭與螺栓及剛性墊片全部采用結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，其彈性模量E=2.0E11Pa，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度250Mpa。

設(shè)定螺栓和螺母與法蘭外表面連接為綁定接觸連接，為了模擬實(shí)際工作情況，墊片與法蘭接觸的上、下表面均采用摩擦接觸類(lèi)型，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15。

現(xiàn)對(duì)本套分析模型采取整體自由網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)1/12的三維法蘭模型進(jìn)行圓周循環(huán)對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展顯示，其有限元模型如圖1所示。

對(duì)螺栓法蘭連接部件有限元模型的兩個(gè)剖分面上施加對(duì)稱(chēng)位移邊界條件，對(duì)與機(jī)組相連接側(cè)法蘭的端部采用位移約束。在螺栓軸向施加5000N的預(yù)緊載荷;對(duì)法蘭的內(nèi)表面施加20Mpa的管道內(nèi)部壓力，同時(shí)在與該法蘭接觸的另一側(cè)法蘭接管處的上端部施加1000N的力，用來(lái)模擬整套管路連接系統(tǒng)對(duì)該法蘭的管系載荷作用力，如圖2所示。

2 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，查看受載后的法蘭應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。圖3為法蘭僅承受螺栓預(yù)緊載荷時(shí)的應(yīng)力情況，最大應(yīng)力約為：70Mpa;圖4為法蘭既承受螺栓預(yù)緊載荷，又承受法蘭內(nèi)部壓力和管系載荷作用力共同載荷下的應(yīng)力情況，最大應(yīng)力約為：97Mpa。

查看墊片的密封性能，如圖5所示，為墊片既承受螺栓預(yù)緊力又承受工況載荷時(shí)的密封狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明：墊片外圈與法蘭最大分離間隙為0mm，因此墊片外圈處于完全密封狀態(tài);墊片內(nèi)圈與法蘭最大分離間隙約為0.019mm，因此墊片內(nèi)圈處于近場(chǎng)接觸狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。綜合情況來(lái)看，螺栓法蘭連接部件在承受所有工況載荷時(shí)，密封效果處于良好狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元軟件ANYSYS Workbench對(duì)法蘭在預(yù)緊時(shí)及操作工況下進(jìn)行了分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看到，法蘭盤(pán)與錐段連接的部位是法蘭的危險(xiǎn)部位，在法蘭的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)給予足夠的重視;密封墊片在承受載荷工況下，最外側(cè)邊緣產(chǎn)生較大的表面接觸應(yīng)力，因此在選擇鋼制墊片的材質(zhì)時(shí)，應(yīng)選擇屈服強(qiáng)度較高的材質(zhì)作為制作墊片的母材。本次有限元分析的結(jié)果為法蘭的選用與裝配提供了參考，從而提高了法蘭在使用時(shí)的可靠性。

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