法兰设计方法及预紧力的确定

选取9对工作压力为1.0～6.5 MPa、工作温度为400℃的标准带颈对焊管法兰,分别运用EN13445附录G法兰设计的另一方法与Waters方法计算螺栓预紧力,运用ANSYS有限元软件对其进行模拟,分析法兰接头的应力分布和应变,研究这两种计算方法在指导法兰接头螺栓安装时,法兰强度以及密封性的可靠程度和方法的可行性.结果表明:EN13445附录G计算确定的螺栓预紧力能保证该种法兰接头在该温度、压力范围内的强度与密封性,可用于指导该种法兰螺栓的安装;Waters计算确定的螺栓预紧力在较高工作压力时会导致垫片应力过大,可能会压溃垫片,建议在工程实际中该种法兰螺栓在该温度、压力范围内安装时谨慎使用Waters螺栓预紧力.     

大口径法兰瞬态工况正交试验

采用有限元分析方法结合正交试验研究了法兰的压力、口径、螺栓预紧载荷等参数对大口径法兰密封性能的影响.对有限元正交试验数据,通过多元回归得到缠绕垫片应力与螺栓预紧力、法兰压力、法兰温度和缠绕垫片回弹模量之间的关系式.研究表明,螺栓预紧力和法兰压力对缠绕垫片应力的影响是高度显著的,法兰温度和缠绕垫片回弹模量的影响是显著的.     

机匣纵向安装边螺栓联结结构参数对泄露压力的影响

航空发动机机匣安装边多采用不含垫片的螺栓联结结构形式,安装边除了刚度及强度要求外,还有气体密封要求,特别是对内压力较大的高压压气机机匣。本文利用线弹性断裂力学的相关理论,简化螺栓法兰联结结构,推导出泄露压力计算公式。利用workbench软件进行仿真计算,得出螺栓联结处的正应力分布,求得泄露压力。通过有限元计算,研究了螺栓预紧力、螺栓位置和法兰厚度等参数对泄露压力的影响,为机匣纵向安装边螺栓联结结构参数设计提供了参考依据     

风力发电机塔筒法兰高强度螺栓疲劳强度分析

以风力发电机塔筒法兰高强度螺栓为研究对象,考虑外载对疲劳损伤的影响,建立风力发电机塔筒法兰高强度螺栓疲劳强度分析的方法.首先,以连接截面受力状况作为损伤参量,借助塔筒等效模型确定最大受载截面;其次,采用Schmidt-Neuper算法获得塔筒任意扇面所受外载,并基于有限元模型研究外载与高强度螺栓内应力的关系,建立高强度螺栓疲劳损伤分布模型;最后,考虑预紧力的影响,对比研究不同螺栓预紧力疲劳累积损伤值,确定最优螺栓预紧力.结果表明,整圈法兰螺栓疲劳累积损伤最大位置为-4.17°和175.87°,预紧力比例为70%时螺栓预紧力最为合适.     

螺栓法兰连接的金属透镜垫的自紧能力分析

分析了螺栓法兰连接的金属透镜垫在预紧状态和工作状态下的变形情况,以及透镜垫与螺栓法兰的变形协调关系,将金属透镜垫与螺栓法兰刚度引入透镜垫法兰连接的力学计算中,推导出了金属透镜垫自紧系数计算公式,结果表明金属透镜垫自紧系数与金属透镜垫及螺栓法兰刚度有关.采用Hertz接触理论推导出了关于透镜垫密封接触环中心最大接触压力的螺栓法兰预紧载荷与工作载荷计算公式.通过接触力学实验验证了公式的正确性,为水下密封工程中较大直径透镜垫的设计提供参考依据.     

镍钛形状记忆合金压缩力学行为及其密封性能

法兰密封连接是过程工业装置中最常见的可拆连接形式,在保证法兰连接良好的密封性能及长久的使用寿命上,密封新材料的开发和应用具有重要意义。以Ni_(50.9)Ti_(49.1)(原子分数)形状记忆合金为对象,研究其在压缩载荷作用下的力学行为;加工了镍钛合金平垫片,研究密封连接结构泄漏率随预紧力、介质压力及温度的变化规律。试验结果表明:镍钛合金压缩载荷作用下具有超弹性特性,马氏体相变初始应力为270 MPa,不同压紧应力下试样的回弹率都达到99%以上。在恒定预紧力下,随着介质压力的提高,密封连接的泄漏率呈增加的趋势;随着温度的增加,泄漏率呈下降的趋势。最终,依据不同的工况条件获得了最佳的预紧力范围。     

兆瓦级风力机组偏航齿圈螺栓联接强度分析

建立兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学模型和偏航齿圈与塔架法兰处螺栓联接三维模型并运用Hypermesh软件处理,在ABAQUS中建立螺栓接触模型,取预紧力为屈服极限σp0.2的60%~80%对螺栓联接偏航过程静力学性能进行分析。研究结果表明:通过对比不同预紧力工况下得出的应力强度与疲劳强度,提出可供参考的预紧力Fv取值范围;当且预紧力为0.7σp0.2时,螺栓及其连接件应力应变最理想,在仅受预紧力和加载极限载荷后最大应力分别为712.5 MPa和733.4 MPa,工作应力下的安全系数SF=1.28,满足强度设计要求,为该兆瓦级风力发电机组偏航齿圈螺栓联接及其他连接系统的应力强度校核、疲劳分析等提供参考,便于进一步优化设计。     

垫片含缺陷钢制螺栓法兰结构密封性仿真分析

以法兰-螺栓-垫片组成的螺栓法兰连接系统为研究对象,利用ABAQUS软件构建该模型中的连接件整体和各个部件,进行不同工况下,垫片有无缺陷时螺栓法兰连接系统紧密性的应力及接触分析.结果表明：螺栓预紧力、介质内压和外加弯矩载荷都会对螺栓法兰连接的密封性产生影响;当垫片存在缺陷时,缺陷的尺寸和存在的位置会改变垫片接触应力的分布,缺陷深度越大,密封效果越差.     

面向结合面密封性能要求的装配连接工艺设计

为在产品设计阶段规划出满足密封性能要求的装配连接工艺,提出了一种面向结合面密封性能要求的装配连接工艺数字化设计方法.采用接触非线性有限元技术和弹性相互作用理论建立了螺栓组连接有限元模型,研究了螺栓预紧顺序、预紧力水平与结合面连接性能间的关系,构建了各螺栓预紧力大小与结合面压力间的关联模型,进而利用该关联模型,根据工况载荷下设备对密封性能的要求反求装配连接工艺.以发动机缸体缸盖装配连接为例,建立了发动机曲柄连杆机构动力学模型,分析了其工况载荷,并在缸体、缸盖和缸垫有限元模型的基础上,确定出工况载荷下发动机密封性能对结合面压力分布的要求,最后利用螺栓组连接与结合面压力间的关联模型反求出各螺栓预紧力的大小,通过与该型发动机已有装配连接工艺对比,验证了该设计方法的可行性.     

螺栓支承面有效半径的影响因素

为得到螺栓拧紧扭矩与预紧力之间的精确关系,对影响螺栓支承面(螺栓头和螺母)有效半径的计算方法、预紧力、被连接件弹性模量、板厚、孔隙、螺距等因素进行了研究.采用ANSYS参数化设计语言,构建了具有螺纹特征的螺栓连接件参数化有限元模型,通过Ⅰ-Scan压力薄膜传感器测量被连接板结合面的压力分布,并与有限元模型的计算结果进行比较,间接地验证了参数化模型的可靠性.通过获取螺栓连接件支承面的压力分布方式,结合螺栓支承面有效半径的计算方法对螺栓支承面的有效半径进行了计算.计算结果表明,螺栓支承面的有效半径随着预紧力、孔隙的增加而增加,随着板厚、被连接板弹性模量的增加而减小,有效半径与预紧力、弹性模量之间成非线性关系,与孔隙之间成线性关系且斜率为0.53～0.56.     

谐调螺栓连接对航空发动机静子系统动力学特性影响

在航空发动机的设计阶段或正常工作时,螺栓连接结构的每个螺栓沿着法兰边周向均匀分布,且预紧力相同,因此该螺栓连接结构是周期谐调分布的.为了研究谐调螺栓连接结构对航空发动机静子系统动力学特性的影响,将改进薄层单元法应用到这种结构中,该方法能够考虑螺栓连接周向刚度非均匀分布的特点,并且分块的薄层单元的材料参数可以通过螺栓连接的结构、载荷参数来确定,无需进行试验数据修正.首先,简单阐述了螺栓连接结构改进薄层单元法的基本理论;其次,将方法应用到含有螺栓连接结构的简化机匣中,研究了螺栓预紧力、螺杆直径、螺栓材料参数、螺栓个数对机匣固有特性的影响,并提出了刚度比k和参数χ来说明影响的规律;最后,研究了螺栓预紧力对机匣稳态响应特性的影响规律.结果表明:螺栓预紧力对机匣固有特性影响最大,具体到各阶振动,所有参数均对第1阶横向弯曲振动影响最大,对第3阶振动几乎没影响;随着螺栓预紧力的降低,整个结构稳态响应曲线的同阶峰值点逐渐向左移动,响应幅值逐渐升高,因此对于航空发动静子系统,不能忽略螺栓连接结构的影响.     

微机CAD系列支撑软件及丛书(14)——CAD螺纹联接

本软件可以处理螺纹联接在各种受载情况下的强度计算,从而确定螺栓的标准直径.在已知螺栓直径及受载条件下,可进行强度校核.各种设计资料符合最新国家标准.具体功能包括能计算和校核:(1)横联接;(2)竖联接中的六种情况,a.只受预竖力,b.受轴向力,c.受横向力,d.受扭矩,e.受翻转力矩,f.以上各种受力情况的组合.本软件适用范围广,工矿企业的技术人员以及大专院校的广大师生都可适用.     

考虑螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析

以含螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳为研究对象,采用商用有限元分析软件ANSYS建立了系统的全实体/梁-壳混合有限元模型.基于所建立的模型,分析讨论了自由/约束边界,法兰/吊挂处预紧力对系统固有特性的影响,并通过试验进行了对比验证.研究结果表明:本文所建立的有限元模型能较好地模拟螺栓连接处界面接触压力及其分布情况,且在保证一定精度的前提下,梁-壳混合模型较全实体模型的计算效率高;吊挂约束的存在对系统的固有频率和振型影响较大;法兰处螺栓预紧力对系统第5~8阶固有频率影响较大,而吊挂处螺栓预紧力对系统前3阶固有频率影响较大.     

带金属O形环法兰密封结构的三维有限元分析

借助ANSYS Workbench有限元软件对带金属O形环法兰密封结构进行三维有限元分析,研究预紧工况和操作工况时法兰接触面处的接触压力及应力分布规律.结果表明:随着螺栓预紧力的增加,最大接触压力及最大应力值均增加,最小接触压力减小;操作工况时,随着流体内压的增大,最小应力值基本未发生变化,最大接触压力及最大应力值均减小,且最大接触压力均大于液体内压.     

复杂载荷条件下柴油机气缸套的变形仿真分析

基于ANSYS软件,对柴油机气缸套在螺栓预紧力、燃气压力、活塞侧推力以及温度载荷作用下的变形进行了数值仿真。结果表明,温度载荷是引起气缸套变形的主要因素,螺栓预紧力和燃气压力对气缸套的变形影响很小可以忽略,而活塞侧推力则会导致气缸套圆柱度误差。     

改良双锥密封结构及其设计方法

在传统的双锥密封结构基础上提出了一种新型的半自紧金属垫片密封结构——改良双锥密封结构,通过有限元分析,得到了预紧工况下改良双锥环Mises等效应力分布以及垫片应力随预紧载荷和操作压力的变化规律.与传统的双锥密封结构相比,改良双锥密封结构的螺栓预紧力小;操作工况下,自紧作用较好.通过改良双锥密封机制分析,确定了影响密封的主要结构参数,提出了相应的设计方法.以内径1 m的改良双锥密封结构为例,设计了三因素三水平正交试验方案.通过数值模拟,得到了最佳结构参数.     

螺栓法兰连接的数值模拟及接触收敛分析

螺栓法兰连接的数值模拟过程中涉及许多接触对,在处理接触问题时,收敛困难这一问题普遍存在.以使用ANSYS Workbench对齿轮压缩机法兰连接的有限元分析为例,详细分析了影响计算收敛性的主要因素:接触对的建立、接触类型和接触算法的选取,以及罚刚度大小.在模拟过程中,用非对称绑定接触模拟螺母与螺栓的连接,非对称摩擦接触模拟螺母与法兰,以及法兰之间的连接,线性施加预紧力的方式来模拟螺栓拧紧.在数值计算过程中,绑定接触采用罚函数法,摩擦接触采用增广拉格朗日乘子法.初次计算采用一个较小的罚刚度系数,然后根据计算过程中接触迭代计算和N-R残差检查情况,逐步增大罚刚度系数直至得到收敛的计算结果.计算结果收敛性好,接触面摩擦应力分布符合压应力分布规律且仅有少量的滑移,满足工程使用要求.为其他类型接触问题的分析过程中解决收敛困难的问题提供了参考.     

金属垫圈密封性能的研究及法兰连接系统的整体分析

对金属垫圈的密封性能进行了广泛的试验研究，测定了垫圈预紧密封比压参数ｙ和垫圈系数ｍ值，并与ＡＳＭＥ规范值进行了对比。采用ＡＢ试验方法，对垫圈的典型密封特性进行了研究。此外，通过对法兰连接系统的整体分析，得出了从安装状态到操作条件下螺栓载荷的变化规律。在上述基础上，讨论了一种新的密封设计方法，并给出有关计算式。     

金属垫圈密封性能的研究及法兰连接系统的整体分析

对金属垫圈的密封性能进行了广泛的试验研究，测定了垫圈预紧密封比压参数ｙ和垫圈系数ｍ值，并与ＡＳＭＥ规范值进行了对比．采用ＡＢ试验方法，对垫圈的典型密封特性进行了研究．此外，通过对法兰连接系统的整体分析，得出了从安装状态到操作条件下螺栓载荷的变化规律，在上述基础上，讨论了一种新的密封设计方法，并给出有关计算式     

不同力学模型下锥颈对焊法兰的有限元应力分析

应用有限元应力分析法对常用的Pg50 Dgl50的锥颈对焊法兰进行了弹性轴对称、三维弹性及弹塑性应力分析.将法兰、垫片及螺栓作为组合结构进行整体分析研究,并与传统的法兰计算方法——Waters法的结果作了比较.分析了法兰在最大螺栓载荷和内压为5.0MPa下,局部区域进入塑性区的扩展过程.采用国际上普遍应用的线性结构分析程序SAP5和非线性结构程序ADIlqA,在M-240D计算机上进行了有限元计算.