金属垫片接触应力分布解析算法

金属垫片密封是压力容器和管道中常见的密封形式,其失效极少是因强度不足引起的,泄漏是连接系统失效的主要原因.在真实螺栓法兰金属垫片连接结构中,垫片的局部接触应力对螺栓法兰连接结构密封性能的影响较垫片的平均压紧应力更大.笔者在Warters法的基础上,考虑了操作压力的影响,对法兰变形进行理论分析,推导了法兰偏转角的计算公式.根据法兰偏转角和金属垫片力学性能,提出了金属垫片接触应力分布的解析算法.解析计算得到的平均应力与数值模拟结果较为接近,但垫片外缘的最大应力小于数值模拟值,金属垫片接触应力的解析计算方法可作为一种保守的工程算法,可用于真实螺栓法兰金属垫片连接结构的设计.     

基于非线性垫片径向应力分布的螺栓法兰连接泄漏率预测方法

采用解析方法对垫片应力径向分布及其不均匀性进行研究,提出基于垫片径向应力分布的螺栓法兰连接结构泄漏率预测方法。将垫片应力径向分布解析计算结果与有限元计算结果,以及泄漏率预测结果与现有方法预测结果和ROTT(Room Temperature Tightness)的试验结果分别进行比较和分析。结果表明,垫片应力分布的解析计算结果与有限元结果一致,且大小由内径向外径逐渐增大,随着螺栓载荷的增加,垫片径向应力的不均匀性也逐渐增大;提出的泄漏率预测方法得到的计算结果与试验结果十分吻合,且较现有预测方法得到的结果更为精确。     

外弯矩下螺栓法兰连接紧密性研究

为准确分析螺栓法兰连接系统的紧密性,利用当量内压法﹑当量轴向力法和变形协调方程,研究外弯矩作用下螺栓法兰连接中的垫片压紧应力。分析结果表明:若利用当量内压法来计算,外弯矩等同于内压,相当于增大了系统的内压,但并不能体现出外弯矩作用下垫片应力在螺栓法兰连接系统分布的不均匀性;而利用当量轴向力法来计算,可以体现出整个系统在承受外弯矩作用导致的垫片应力沿管道圆周方向按余弦分布的不均匀性,并且垫片受拉侧和受压侧的压紧应力相差增大,其中受拉侧垫片应力减小,受压侧垫片应力增大,因此螺栓法兰连接的紧密性需重点考虑受拉侧的垫片应力。     

法兰连接系统应力分析

建立了法兰连接系统的有限元模型,分析了垫片在预紧作用下和逐渐加内压以及外弯矩情况下的应力场分布。研究表明,垫片应力在预紧力作用下,随着内压的升高,垫片应力沿径向分布趋于不均匀,螺栓具有不容忽视的弯曲应力。数值计算结果与PVRC（美国压力容器委员会）实验进行了比较,两者结果接近。     

在稳态温度场中法兰接头的三维有限元分析

利用3-D有限元法模拟了法兰接头的稳态温度场分布,结果表明计算值与实测数据吻合较好。此外,模拟了操作条件下,垫片因蠕变引起减薄的垫片应力分布,并利用垫片应力与紧密性参数之间的关系,评价了垫片应力对法兰接头密封性能的影响。     

基于紧密度要求的非金属垫片应力场数值模拟

针对密封垫片的实际工作情况,将螺栓-法兰-垫片连接系统看成一个整体进行分析研究,并考虑系统中各元件之间的相互作用。以ASME B16.5标准中的NPS4 Class150法兰为例,建立螺栓-法兰-垫片连接系统的参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为。采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,研究了在不同预紧力和内压载荷的作用下,垫片应力的变化规律。研究结果表明:垫片应力的大小随着螺栓预紧力的增加而增大;随着内压载荷的升高,垫片的应力沿径向和周向分布更加不均匀。研究结果为螺栓-法兰-垫片连接系统的密封性能分析以及有限元法在该领域的应用提供了依据。     

法兰用聚四氟乙烯垫片的密封性能分析

根据有限元理论,建立了管法兰连接有限元模型,对管法兰用聚四氟乙烯密封垫片的密封性能进行了数值计算。研究了垫片在预紧状态和工作状态下的Von Mises应力和接触应力分布,分析了管道内介质压力对其应力和应力分布的影响。结果发现:垫片在工作状态下的Von Mises应力大于其在预紧状态下的;介质压力越大,垫片的Von Mises应力越大,但垫片的有效接触宽度越小。     

法兰连接系统理论分析和实验研究

对螺栓法兰连接系统进行受力分析，导出变形协调方程，通过计算，分析垫片压紧应力、泄漏率和介质压力之间的关系，并与刚性法兰系统的实验结果相比较。同时对不同工艺参数下的石墨缠绕垫片性能进行分析。     

外弯矩和蠕变对螺栓法兰连接紧密性的影响

螺栓法兰连接是石油化工机械设备等工业装置中最重要的静密封连接形式之一,其失效的主要原因是泄漏.在考虑垫片的非线性和连接结构部件(法兰、螺栓和垫片)蠕变的基础上,采用ABAQUS软件对承受外弯矩作用的螺栓法兰连接结构进行了三维数值模拟,研究了外弯矩和蠕变对连接结构紧密性的影响.研究结果表明,外弯矩使连接结构垫片应力分布不均匀,蠕变进一步加剧了应力分布的不均匀性并使垫片应力减小;受拉侧垫片应力减小导致了连接结构的泄漏.     

具有非线性垫片的螺栓法兰连接的理论计算与实验研究

按现行规范设计的螺栓法兰连接不能保证有效的密封,本文基于A.I.Soler等人对螺栓法兰连接的分析,对一具有非线性垫片的螺栓法兰连接进行理论计算与实验。该计算从螺栓——法兰——垫片系统出发,考虑垫片的物理非线性以及螺栓的拉伸和弯曲,分别模拟了系统在预紧和操作阶段的螺栓应力、法兰应力和垫片应力。此外,对一实际的法兰连接进行了实验研究,试验结果与计算结果吻合较好。     

基于ABAQUS的承受外弯矩作用的螺栓法兰连接的参数化研究

以符合GB/T9115.1-2000标准的法兰为例,采用ABAQUS软件对其进行三维数值模拟的参数化研究,研究外弯矩和法兰公称直径对垫片应力及连接泄漏率的影响,确定外弯矩与泄漏率的规律。结果表明,外弯矩使法兰周向应力分布不均匀,随着外弯矩的增大,受拉侧垫片应力减小,单位垫片外周长泄漏率增大;在规定的螺栓载荷作用下,随着法兰公称直径的增大,受拉侧垫片应力增大,单位垫片外周长泄漏率减小。     

承受外弯矩作用的法兰接头有限元分析

采用有限元法模拟了垫片的非线性特性，研究了外弯矩对于垫片应力分布、螺栓载荷及法兰转角的影响；有限元计算结果与PVRC实验数据做了比较，结果表明，有限元计算具有较高的可靠性，基于垫片应力，提出了外弯矩与接头紧密度之间的关系。     

轴对称拉深成形中法兰变形区的解析方法

轴对称拉深成形中法兰变形区的应力、应变分析是研究板材拉深成形中失稳起皱和成形极限的基础。以轴对称拉深法兰变形区为研究对象,分别建立法兰变形区应力、应变两种解析方法,即以主应力法为基础的主应力解,以广义胡克定律和变形协调方程为基础的广义胡克定律解。分别通过试验和数值模拟对两种解析方法的计算结果进行比较,结果表明:主应力解在求解过程中忽略了法兰厚度的变化,使得径向应变的计算值较试验和模拟值偏差较大;采用以切向应变表示的平均硬化模型,使得切向应力的计算结果偏差较大,径向应力的计算结果与模拟相差不大,可以满足工程中对拉深成形力的估算。广义胡克定律解以广义胡克定律和变形协调方程为基础,避免了主应力解的缺陷,应力、应变的理论计算值与试验值、模拟值基本吻合,且相对偏差不大于5%,是一种相对精确的理论分析方法。     

高温下螺栓-法兰-垫片系统密封性能研究

温度和内压载荷对螺栓法兰连接的密封性能有着显著的影响。采用有限元技术,对DN100mm,PN40 MPa的管法兰连接进行了热及结构分析,探讨了高温稳态工况下法兰、垫片和螺栓的温度分布,分析了预紧、加压和升温后的螺栓以及垫片的应力变化。结果表明,法兰、螺栓以及垫片沿径向存在温度梯度;内压作用后垫片应力明显降低;升温后垫片外侧应力减小,内侧应力增大;加压及升温后螺栓应力均增大。     

金属垫片有效密封宽度有限元分析

利用有限元软件ANSYS对不同螺栓载荷下的垫片接触应力分布进行了数值模拟。在此基础上,结合垫片系数m及内压,计算得到垫片有效密封宽度。结果表明,垫片有效密封宽度除受法兰密封面形状和垫片基本宽度影响外,还与法兰刚度和垫片几何尺寸有关;垫片有效密封宽度有限元计算值比GB150—1998规范计算值小。这为螺栓法兰金属垫片的设计与安全评价提供了参考。     

基于非线性有限元的螺栓法兰接头应力分析

考虑法兰接头各元件之间的相互作用以及垫片材料的非线性,建立了管法兰接头的三维有限元模型,研究了螺栓预紧载荷、介质内压和法兰尺寸对法兰的偏转角度及垫片接触应力的影响。结果表明:螺栓预紧载荷及介质内压的增加均会造成法兰偏转角的增大,从而引起垫片接触应力沿径向方向分布的不均匀程度变大;法兰直径越大,其垫片应力在径向上分布越不均匀;对较小直径的法兰,轴向螺栓力随介质内压的增加而增大,对大直径的法兰,轴向螺栓力随内压增加而减小。     

垫片侧压力数值计算方法研究

针对现有通用垫片单元无法计算垫片侧压力这一问题,采用一种结构单元替代通用垫片单元,模拟金属对金属接触型法兰装置的密封性能。计算结果与试验数据基本吻合,表明该垫片替代单元不仅能够准确模拟垫片的加载、卸载行为,而且还实现了垫片的侧向压力的数值计算。这一研究成果有利于用来分析一类特殊法兰结构密封装置的力学行为。     

考虑垫片时滞效应的管板-法兰-垫片-螺栓连接系统三维有限元分析--预紧工况和加压工况下密封垫片的压紧应力分析

本文从整体性观点出发,考虑垫片的非线性性质和应力-应变时滞效应,用大型有限元软件ANSYS建立了U形管换热器中等效管板和法兰垫片螺栓连接系统的三维有限元模型,并作为研究报告的第一部分,着重分析了预紧和加压两种工况下垫片材料的非线性与时滞效应、不同的管壳程压差以及不同的螺栓预紧力和不同的螺栓尺寸等因素对法兰接头紧密性(垫片压紧应力的大小和分布状况)的影响;在下一部分中将讨论上述各种因素对法兰接头强度的影响。     

多因素下氧化石墨烯无石棉垫片应力场数值模拟

针对氧化石墨烯无石棉垫片的实际工作情况,建立螺栓法兰系统三维有限元模型,并运用Abaqus软件研究螺栓预紧力、介质内压及垫片尺寸3种因素对氧化石墨烯无石棉垫片应力场的影响;采用稳态温度场对不同介质温度因素进行研究,模拟实际工况下垫片的温度场及应力场分布。结果表明：垫片应力随着螺栓预紧力增大而增大,随着内压载荷及垫片宽度增大而减小;最高温度存在于垫片内侧,且随着介质温度升高,垫片内外侧温度差逐渐的增大;垫片应力沿径向由内到外呈现递增趋势,随着介质温度升高,垫片应力减小;垫片应力沿外侧周向分布不均匀,呈45°为一个周期变化。     

基于ANSYS的凹凸管法兰系统密封性能研究

运用ANSYS有限元分析软件,建立凹凸管法兰系统的热-结构数值模型,对系统内各组件的应力与温度对系统密封性的影响规律进行分析。结果表明:法兰管道与螺栓外侧法兰外缘所受应力相对较小,螺栓内侧法兰所受应力相对较大;在预紧、预紧+内压、预紧+内压+温度3种工况下垫片的径向应力过渡方式均为由大变小再变大的变化趋势,且在预紧工况下垫片的压应力最大;自螺栓底面至顶面螺栓轴向应力呈逐渐增大再减小的变化趋势。