考虑垫片非线性特征法兰接头特性研究

论文摘要

法兰接头广泛应用于石油化工设备、动力装置以及其它设备中的设备、管道连接，垫片是其中重要的密封元件，其性能是直接影响连接密封可靠性的因素之一。为防止垫片密封失效造成的损失，把螺栓、法兰和垫片三者组成的系统作为研究对象，具有重要意义。本文对缠绕垫片的压缩回弹曲线的拟合方法进行了讨论，针对垫片材料的非线性和非保守性，把垫片的工作过程分为加载和卸载两个阶段。对法兰接头的研究中，把法兰接头各元件看成一个系统，研究其中各元件之间的相互作用，并考虑垫片的非线性，建立了1／8法兰接头的参数化三维有限元模型，利用ANSYS软件里的INTER194单元和GASKET材料在分析中实现了对垫片材料的非线性和应力—应变的非保守性的分析，通过计算得到了接头整体及各元件的变形和应力分布情况。研究了几何尺寸、预紧和加压等参数对法兰接头系统整体性的影响，为更加合理地设计、应用法兰连接系统提供参考。本文经过研究，获得以下主要结论：(1)通过垫片压缩回弹曲线的拟合分别确定压缩阶段和回弹阶段的回归系数，根据得到的回归系数和卸载开始点的应力与应变，可以预测不同预紧工况下的回弹曲线，对法兰设计的完善，尤其以控制泄漏量为准则的法兰设计提供一定的参考。(2)无论预紧工况还是加载工况，垫片上的应力分布在周向和径向都是不均匀的，且随着垫片厚度的增加，垫片应力的分布相对比较均匀。(3)螺栓在预紧工况下具有不容忽视的弯曲应力，螺栓的拉伸应力和弯曲应力都随预紧力增大而增大。当螺栓预紧力达到7×10~4N时，弯曲应力占平均拉应力的49.1％，所以设计法兰螺栓时，应同时考虑螺栓受到的拉伸应力和弯曲应力。当螺栓的弯曲应力较大时，按常规的设计可能导致连接失效，为保证设计的准确性，应当降低螺栓的弯曲应力如增大螺栓的刚度和螺栓的直径。(4)法兰接头系统中应力水平较高的位置是在法兰环锥颈大端几何形状不连续处，垫片厚度的增加可以降低此处的最大应力强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 法兰连接系统的研究现状
• 1.3 前人在本课题研究领域中的成果简述
• 1.4 本论文研究的主要内容和意义
• 第二章 垫片压缩回弹曲线的拟合
• 2.1 引言
• 2.2 垫片密封的理论及性能参数
• 2.2.1 垫片密封机理
• 2.2.2 垫片密封的泄漏形式
• 2.2.3 垫片的性能
• 2.3 IstOpt软件介绍
• 2.3.1 概要
• 2.3.2 IstOpt应用的优化算法
• 2.3.3 IstOpt特长
• 2.4 垫片压缩回弹曲线拟合方法
• 2.4.1 特定温度下垫片应力应变的曲线拟合
• 2.4.2 回弹曲线的简化模型
• 2.5 缠绕垫片的压缩回弹曲线拟合
• 2.5.1 缠绕垫片压缩回弹曲线拟合的数学方程
• 2.6 小结
• 第三章 法兰接头三维有限元模型的建立
• 3.1 有限元数值分析方法简介
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 ANSYS有限元软件简介
• 3.2 法兰接头三维有限元模型的建立
• 3.2.1 模型特点
• 3.2.2 接头的几何模型
• 3.2.3 模型范围的选取
• 3.2.4 单元类型的选取
• 3.2.5 材料特性
• 3.2.6 边界条件与载荷
• 3.2.7 参数化有限元模型的生成
• 第四章 法兰接头三维有限元分析结果与讨论
• 4.1 法兰接头三维有限元分析概述
• 4.2 法兰接头系统Von-Mises应力分析结果
• 4.2.1 米塞斯（Von-Mises）屈服准则
• 4.2.2 法兰接头系统 Von-Mise应力分布状况
• 4.3 法兰接头系统中螺栓的有限元分析结果
• 4.3.1 法兰接头系统中螺栓的应力分布
• 4.3.2 不同螺栓预紧力下拉伸应力与弯曲应力的关系
• 4.4 法兰接头系统中垫片的有限元分析结果
• 4.4.1 垫片在预紧和加内压的应力分布及变形
• 4.4.2 法兰接头系统中的垫片应力分布
• 4.5 法兰接头系统中上法兰的有限元分析结果
• 4.5.1 法兰接头系统中上法兰环应力强度分布
• 4.5.2 法兰接头系统中法兰环的各应力分量分布状况
• 4.5.3 法兰强度校核
• 4.6 法兰接头几何参数对接头强度和垫片应力的影响
• 4.6.1 螺栓预紧程度对法兰接头强度和垫片应力的影响
• 4.6.2 垫片厚度对法兰接头强度和垫片应力的影响
• 4.7 小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 硕士期间发表论文
• 附录B ANSYS参数化设计语言（APDL）部分代码