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特殊法蘭的應力分析
滄州AG视讯管件    2017-11-25 21:54:15    文字:【】【】【
摘要:通過對特殊法蘭進行應力分析,觀察法蘭的錐頸角度和端部高度的變化對其應力分布的影 響,並對應力集中現象進行了分析,.對法蘭進行優化,從而使法蘭達到滿應力的設計結果,.對實際工 作中遇到的類似問題提出了解決方法。 關鍵詞,法蘭,.應力分析FEM,.應力集中

   通過對特殊法蘭進行應力分析,觀察法蘭的錐頸角度和端部高度的變化對其應力分布的影 響,並對應力集中現象進行了分析,.對法蘭進行優化,從而使法蘭達到滿應力的設計結果,.對實際工 作中遇到的類似問題提出了解決方法。

關鍵詞,法蘭,.應力分析FEM,.應力集中

概述

在石油、化工和動力工業中,法蘭作為設備中的 一個重要零件,既要保證在實際工作條件下密封可 靠,又要有足夠的強度,長期使用不破壞。雖然法蘭 已標準化,增加了互換性、節約了成本,但一些特殊 的非標部件、結構型式及特殊參數仍需自行設計。 目前,法蘭設計方法有Timoshenko法和Waters 等〃,為了確保法蘭的安全性,需要進行應力分析, 同時為了節約材料,可對法蘭進行優化處理,提供更 合理的法蘭結構形式。隨著計算機的發展,有限元 使用越來越廣泛,本文用ANSYS軟件127對特殊法蘭 進行應力分析。

在化工石油設備中,不可避免地要使用接管、變 徑段、凸緣等部件,這常引起應力集中。應力集中現 象在各種機械設備中非常普遍,往往是引起破壞的 主要原因之一。然而,應力集中很難用理論方法來 求得解析解,工程實際中主要以實驗方法進行測量。 基於神經網絡的B - P算法〃是一種確定應力集中 的辦法,仍需實驗數據的支持。本文利用計算機技 術采用ANSYS分析應力集中程度,適於工程應用。

2問題的提出

某化工機械廠銅液塔底部法蘭是一非標法蘭, 由於其法蘭錐頸角度比標準法蘭大且高度較低,而 且端部高度H遠遠大於標準法蘭,不能通過理論計 算來確定法蘭應力分布及應力集中的程度,本文對 這個法蘭在水壓試驗工況下進行應力分析。

其主要參數有,

>操作工況,

筒體設計壓力P = 14. 8 MPa 底部法蘭所受螺栓載荷wi = 7. 8 X106 N 所受墊片載荷^ = 1. 6 X106 N 筒體端部所受麵力巧=64. 6 MPa


a>水壓力試驗

水壓試驗壓力P = 18. 6 MPa

底部法蘭所受螺栓載荷wi = 9. 8 X106 N

所受墊片載荷^ = 2 . 03 X106 N

模型中筒體端部所受麵力屍1 = 81. 5 MPa

3)模型主要尺寸

法蘭外徑功=990 mm

內徑=711 mm

筒體壁厚f =40 mm

k = 100 mm

3建模與分析

3. 1模型的建立

根據法蘭的幾何形狀和所受載荷,可簡化軸對 稱問題洳圖1所示;。另外,當法蘭受載荷作用時 由於會受到局部的約束發生協調變形,將會產生邊 緣效應,形成邊緣應力。邊緣應力屬於二次應力, 有自限性的特點在局部區域邊緣應力很高並呈指 數快速衰減。邊緣效應區域一般按照公式2.5 把計算,越過了這些區域,法蘭邊緣應力就迅速 衰減為零~。基於以上原因,選取法蘭的長度為 1270 mm。這樣既可以考慮到邊緣應力,又可以減小 模型的規模提高了求解速度。為了保證計算的準 確性,在X點處的過渡圓半徑A為12 mm,這樣 點處應力不會出現大的突變。

  

 

1法蘭的力學模型 3.2網格的劃分

法蘭的二維模型是在AUTOCAD 2000中畫出, 然後通過AUTOCAD 2000與ANSYS共用的接口 sat 文件導入ANSYS中進行應力分析。采用四邊形8 節點82號單元並選取軸對稱性對法蘭進行網格劃分,在ANSYS軟件中對於網格的劃分方式可采用映 射方式「Mapped)和自由方式(Free),映射方式的網 格比較規則,而自由方式的網格不規則,但由於模型 比較小,計算量少,采用自由方式完全可以滿足精度 要求,同時為了方便網格劃分,采用自由網格劃分法 「如圖2所示;。對於較複雜的模型為了提高計算精 度、減小出錯的可能性盡可能采用映射方式,若采用 自由網格劃分法時則易出現畸形網格,從而引起計 算錯誤


3.3計算結果和分析

1)由圖3可以看出高頸法蘭隨錐頸角度的變 ,X點應力也相應發生變化,但^在125〜200 mm 範圍內應力值最大,當^大於200 mm以後,最大應 力值緩慢減小因此對於這種高頸法蘭的錐頸角度 不宜大於26 °。

0。

⑶從圖3中觀察^4點應力值的變化,發現^4 點應力值在^為150 mm左右時應力最大。當錐頸 角度很大時,雖然應力集中產生影響很大,但端部區 應力較小,法蘭的最大應力出現在4點以上的筒體 部位,隨著錐頸角度越來越小,4點距法蘭端部越來 越遠,端部對4點應力的影響也越來越小,應力集 中的程度也越來越小,但相比較而言,4點應力由於 端部影響而增加的量遠大於由於應力集中而減小的 量,使得錐角減小時,4點應力呈現上升趨勢。後來 隨著端部影響越來越小,因應力集中而減小占主導 地位時,4點應力就緩慢降低。

印從圖4中觀察法蘭端部高度H的變化對4 點處應力影響,隨著H的增大法蘭4點處應力越來 越小,當H大於200 mm後其對4點應力幾乎沒影 響,由此可見端部高度對4點法蘭應力有重要的影 響。

 

 

4法蘭端部高度與4點應力值關係^ = 177 mm) ⑶從圖5中可得出4點應力隨著^的減小呈 上升趨勢,由於端部好=19 mm,可知端部對4點應 力影響很小,主要以應力集中影響為主。這種法蘭 的端部高度很小,與標準法蘭較接近,當A < 175 mm 4點應力梯度很大,根據計算錐頸角度不宜大於 30 °通過對標準管法蘭的錐度的計算,其大小約在 21 °〜25 °之間,為了節省材料,可將標準法蘭錐頸角 度做適當調整。

6)在實際生產過程中,應力集中現象是一■個很 普遍、很重要的問題,在設計中,需要對其有較深的 認識,本文采用ANSYS軟件對法蘭進行分析,對應 力集中進行了探討,並提出法蘭及相關零部件優化 的方法。

4結論

1) ANSYS軟件應用方便,具有很高的精度,能解決實際工作中特殊的結構形式,特殊的工藝條件、 結構參數的設備和零部件,免去了大量的工作。


2)利用ANSYS軟件可方便快捷地得到其應力 分布,以對零部件的結構型式進行優化或及早采取 有效措施防止隱患發生。

3)本文通過改變法蘭錐頸角度和端部高度觀 察其對應力的影響,使結構材料在各個位置的強度 充分發揮,以便設計出結構更加緊湊,受力更加合 理,耗材少的法蘭,以提高經濟效益。



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