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法蘭接頭作為壓力容器中一種常見的可拆性連接結構，在石油化工及其他工業(yè)部門中得到了廣泛的應用。大多數(shù)中、低壓壓力容器及管道的密封、連接結構都采用法蘭連接。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對于安全和環(huán)境的關注逐漸提高，對法蘭接頭在強度與緊密性的可靠性要求也不斷提高。法蘭連接作為一個整體主要由法蘭、螺栓、螺母，筒體、封頭等元件組成。傳統(tǒng)法蘭分析具有很大的挑戰(zhàn)，主要難點有法蘭接頭中存在結構與材料等多種非線性，接頭各元件之間存在相互作用，必須整體來分析，接頭的強度分析和緊密性也必須結合起來分析。ANSYS軟件提供了強大的非線性處理功能，對于接觸問題中出現(xiàn)的非線性約束現(xiàn)象能很好的克服傳統(tǒng)分析的弊病，本研究以某壓力容器高頸法蘭連接設備為分析對象，通過APDL建立其參數(shù)化有限元模型，并對其進行強度分析。
容器所受內壓為45MPG封頭為橢圓形，高度h=225mm，筒體厚度t=24mm，直邊段長度50mm，連接螺栓為M30，數(shù)量為48個，法蘭的密封形式為凹凸面。上下法蘭結構如圖所示，模型尺寸如表所示。由于法蘭接頭是周期對稱結構，利用其對稱性，可以從整個法蘭結構中取兩個對稱面截出的1/96接頭結構來建立有限元模型。與下法蘭環(huán)相連的筒體，根據(jù)圣維南原理，只需要取長度L=25，頂飛就可以消除筒體邊緣處軸向應力分布對法蘭處應力分布的影響，其中R為與法蘭相連接的筒體的平均半徑，偽筒體厚度3。其中對螺栓模型進行簡化，不考慮螺紋影響，采用實體建模，由于模型較為復雜，采用APDL語言律立樟型。螺母、螺栓、上下法蘭環(huán)和分別與法蘭環(huán)相連的筒體及封頭都選用單元，但各元件的單元有其不同的材料特性，各材料屬性如表所示。墊片和上下法蘭環(huán)之間的接觸以及螺母和上下法蘭環(huán)之間的接觸采用面—面接觸單元TARGE170和CONTA174來描述。接觸面間相對滑動系數(shù)取為0.3，螺栓預緊情況的模擬采用螺栓預緊單元PRERSI7}由于法蘭接頭及內部結構較為復雜，為得到較好的精度網(wǎng)格，采用手動限制單元大小，各元件獨立劃分的方法設置網(wǎng)格，經(jīng)過多次驗算，表明該網(wǎng)格滿足所需精度要求，網(wǎng)格如圖所示。法蘭接頭涉及到2種工作工況，一種是壓力容器所受的內壓，另一種是給法蘭接頭所施加的螺栓預緊力。對于螺栓而言則主要受到拉力及彎矩載荷，本研究并不考慮到密封墊片，所以法蘭接頭所受到的螺栓預緊力不再是密封預緊力，而是螺栓工作載荷與殘余應力之和，根據(jù)API規(guī)范，取為35kN在邊界條件處理上，由于法蘭接頭在結構、載荷和約束上都具有周期性的軸對稱性質，因此，在有限元模型的2個對稱平面上施加對稱約束，約束這2個平面上的節(jié)點周向位移，同時在與下法蘭環(huán)相連接筒體的截斷端施加面軸向固定約束。
法蘭在內壓及螺栓預緊力2種工況下的受力情況如圖所示，最大應力發(fā)生在上下法蘭接觸處外側，最大應力值達到241MP、考慮到設備自重等因素，本文選取下法蘭為研究對象，對該危險區(qū)域應力按照加載歷史進行應力分類分析，如圖所示。由圖可以看出，最終總應力值達到許用應力的53.6。彎曲應力最終占總應力的32.4。圖中載荷步是依據(jù)容器內壓與螺栓等效壓力之和來設定，螺栓與螺母接觸強度如圖所示，最大應力值發(fā)生在螺帽與螺柱相接觸的地方，最大應力值達到398MPG，對該危險區(qū)域進行應力分析如圖所示。由圖可以得到，最終總應力值達到許用應力的520，彎曲應力占總應力的17.80。
1)在容器內壓4.5MPa及螺栓預緊力35kN的作用下，法蘭接頭最大應力發(fā)生在上法蘭與螺母相接觸的位置，最大應力達到241MPG彎曲應力占32.4，需要特別關注。并且在封頭與法蘭接頭處由于不連續(xù)應力也存在較大的應力強度分布。
2)螺栓由于受到軸向的拉應力，還受到彎曲力矩的作用，所以螺栓的應力強度在螺栓受拉力一側最大，而且整體受力不均勻，發(fā)生彎曲變形，最大應力值達到398MPG，彎曲應力所占比重較小，為17.8。
3)通過ANSYS軟件對法蘭接頭作整體分析，介紹了一種分析法蘭強度的可行性方法，克服了傳統(tǒng)分析的不足，對于解決類似非線性約束問題具有一定借鑒意義。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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