带颈对焊锻造法兰受力有限元分析结果
时间:2019-05-06 15:39 来源:孟村法兰 作者：孟村法兰
偏心拉力作用下，法兰盘的内缘张开、外缘顶紧，法兰盘的撬起位移为1.912mm。法兰在偏心拉力作用下的接触状态如图5 所示，螺栓壁和螺孔内侧、上下法兰盘接触的内环之间临近接触，但是没有相互作用力。说明法兰具有足够整体刚度，致使法兰板几乎不发生翘曲，或者说翘曲非常小。在螺母与法兰盘之间，以及上下法兰盘的外边缘之间均为接触状态，螺栓受力通过管壁、法兰盘、螺栓三者构成的杠杆原理来传递，这与柔性法兰理论传力机制相吻合，如图6 所示。
由ANSYS 分析的结果图7 可知，螺栓截面的应力基本呈对称分布，可取螺栓两侧应变片的平均值作为整个截面的平均应变计算螺栓轴力。100% 加载时， 螺栓中截面最大应力为603.416MPa，没有达到材料的屈服强度（规范中规定为640MPa），螺栓强度有一定安全裕度。提取100%加载时各螺栓轴力，计算出各螺栓对（两个螺栓相对法兰中轴线对称）的轴力和，结果如表1 所示。由表1 可知，每个螺栓对的轴力和为930kN，即螺栓对（关于法兰盘中心对称）的轴力和相等，这是由于法兰为环形对称结构，螺栓对的轴力和自动抵消了弯矩的影响。因此试验中，测量任意一对螺栓的轴力和即可推算出法兰整体所受的拉力。
法兰盘为偏心受力，法兰两侧螺栓受力不同，偏心受拉侧螺栓轴力明显更大，如图8 和表2 所示。单个螺栓的受力图9 中，螺栓一侧受拉，一侧略为受压（大小和拉压状态与法兰偏心力大小、偏心位置及法兰的尺寸有关），螺栓存在弯曲变形，且螺母处受到法兰盘的挤压而存在应力集中。
加载过程中，应力集中主要出现在法兰颈部（偏心受拉侧）、法兰盘螺栓孔周围及螺栓帽处，由于有偏心拉力的存在，法兰颈部以上钢管两侧受力有差别，但无明显应力集中，如图10 和图11 所示。说明节点的应力集中主要出现在法兰颈部以内区域，钢管及其他部位不明显。100%加载时，法兰盘应力最大值为456.81MPa，略大于法兰材料屈服应力420MPa，由于实际中材料存在一定的安全裕度，可认为仍在安全范围内。
由ANSYS 计算可知，关于螺栓中心对称的应变数据可计算螺栓轴力，关于法兰中心对称的螺栓对的轴力和可计算法兰轴力，因此试验中可通过监测螺栓对的应变得到法兰轴力。
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