夾套法蘭
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隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展和各種工藝要求的不 斷增多，非標準結(jié)構(gòu)壓力容器的應用場合也在不斷 增加，隨之出現(xiàn)了一些特殊的法蘭密封和緊固方式。 法蘭一般承受高壓脈動載荷，對其強度和剛度均有 較高的要求H’2]。目前，一些非標準容器及其部件 的強度計算還沒有相應的國家標準。為了保證法蘭 在安全狀態(tài)下工作，生產(chǎn)廠商必須對法蘭進行強度 校核并向用戶推薦法蘭的最大。
一般標準法蘭采用螺栓緊固連接方法，加熱爐 爐門法蘭為對稱結(jié)構(gòu)，法蘭間的連接采用特殊的連 接結(jié)構(gòu)縮緊圈和楔形體。文中采用ANSYS對夾套 式加熱爐爐門和爐體間法蘭連接以及其特殊的縮緊 連接結(jié)構(gòu)進行應力分析。
該法蘭與鎖緊圈和楔形體通過接觸緊固，此連 接結(jié)構(gòu)接觸分析為典型的非線性有限元問題。非線 性包括材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性，文中 只考慮狀態(tài)非線性。 在狀態(tài)非線性中，接觸問題是一種很普遍的 狀態(tài)非線性行為。接觸問題的復雜性是由于接觸 前后系統(tǒng)狀態(tài)的改變及接觸邊界條件的高度非線 性所引起的。目前，國內(nèi)外已出現(xiàn)了許多接觸問 題的求解方法，如直接約束法、子結(jié)構(gòu)法及罰函數(shù) 法等：引。 物體接觸邊界的分析見圖1。圖中，假設相互 接觸的A、B兩物體，S。和S。分別是給定的載荷和 位移邊界條件。選擇局部坐標系(m，，2)，m與接觸 面相切，靠垂直于接觸面方向，C是接觸點。A、B兩 物體的接觸通常町歸納為以下3種情況。
容器與法蘭的結(jié)構(gòu)簡圖見圖2～圖3。法蘭通 過二瓣式卡箍縮緊圈和楔形襯墊縮緊，法蘭、簡體 和鎖緊圈的材料均為16MnR。這種材料設計溫度下的的特性參數(shù)均近似取為彈性模量E=2× 105 MPa，泊松比蘆=0．3，摩擦因數(shù)取為0．20(無潤 滑狀態(tài))。 筒體內(nèi)部的設計壓力P，=2．2 MPa，設計溫度 t，一100℃；夾套內(nèi)部設計壓力P。一0．3 MPa，設計 溫度t2—20℃。
依據(jù)該加熱裝置的結(jié)構(gòu)特點和載荷條件，可取 1／18建立分析模型，包括爐門封頭、法蘭、與法蘭接 觸的鎖緊圈和部分殼體，有限元模型見圖4。應用 ANSYS軟件，采用SOLID 95、20節(jié)點3一D單元對 分析模型進行網(wǎng)格劃分，幾何形狀規(guī)則的區(qū)域采用 映射網(wǎng)格劃分，不規(guī)則的區(qū)域采用自由網(wǎng)格劃分。 由于鎖緊圈在鎖緊時，門齒襯塊與上法蘭存在著接 觸和相互摩擦，在鎖緊圈與下法蘭底面處存在著接 觸和相互摩擦，故在此兩處的上下表面分別建立接 觸對，采用三維面面接觸單元CONTACT 174和目 標單元TRAGE 170模擬，通常鋼材間的摩擦因數(shù) 取0．2，計算時采用遞增的拉格朗日算法，劃分的接 觸單元見圖5。
利用分析軟件重新建立模型分析，并在多個 關鍵部位定義路徑，提取應力校核。最大應力仍 然發(fā)生在上法蘭和內(nèi)封頭連接的部位，該截面處 的薄膜應力值為47．03 MPa，薄膜加彎曲應力值 為253．9 MPa，則有SI=47．03 MPa≤crs= 173 MPa；Sm一253．9 MPa≤1．5民一259．5 MPa。 此時，法蘭與加熱爐連接的關鍵部位均滿足強度 要求。
文中建立法蘭狀態(tài)非線性有限元模型，計算結(jié) 果與實際情況較吻合。研究結(jié)果表明，非線性有限 元分析可以很好地模擬真實法蘭的應力，且可以得 出法蘭與殼體連接關鍵部位的應力分布狀態(tài)和最大 應力位置。此計算不僅提高了計算精度，而且計算 結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)設計的理論依據(jù)。
