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法蘭接頭作為壓力容器中一種常見的可拆性連接結構，在石油化工及其他工業部門中得到了廣泛的應用。大多數中、低壓壓力容器及管道的密封、連接結構都采用法蘭連接。隨著工業的不斷發展以及人們對于安全和環境的關注逐漸提高，對法蘭接頭在強度與緊密性的可靠性要求也不斷提高。法蘭連接作為一個整體主要由法蘭、螺栓、螺母，筒體、封頭等元件組成。傳統法蘭分析具有很大的挑戰，主要難點有法蘭接頭中存在結構與材料等多種非線性，接頭各元件之間存在相互作用，必須整體來分析，接頭的強度分析和緊密性也必須結合起來分析。ANSYS軟件提供了強大的非線性處理功能，對于接觸問題中出現的非線性約束現象能很好的克服傳統分析的弊病，本研究以某壓力容器高頸法蘭連接設備為分析對象，通過APDL建立其參數化有限元模型，并對其進行強度分析。
容器所受內壓為45MPG封頭為橢圓形，高度h=225mm，筒體厚度t=24mm，直邊段長度50mm，連接螺栓為M30，數量為48個，法蘭的密封形式為凹凸面。上下法蘭結構如圖所示，模型尺寸如表所示。由于法蘭接頭是周期對稱結構，利用其對稱性，可以從整個法蘭結構中取兩個對稱面截出的1/96接頭結構來建立有限元模型。與下法蘭環相連的筒體，根據圣維南原理，只需要取長度L=25，頂飛就可以消除筒體邊緣處軸向應力分布對法蘭處應力分布的影響，其中R為與法蘭相連接的筒體的平均半徑，偽筒體厚度3。其中對螺栓模型進行簡化，不考慮螺紋影響，采用實體建模，由于模型較為復雜，采用APDL語言律立樟型。螺母、螺栓、上下法蘭環和分別與法蘭環相連的筒體及封頭都選用單元，但各元件的單元有其不同的材料特性，各材料屬性如表所示。墊片和上下法蘭環之間的接觸以及螺母和上下法蘭環之間的接觸采用面—面接觸單元TARGE170和CONTA174來描述。接觸面間相對滑動系數取為0.3，螺栓預緊情況的模擬采用螺栓預緊單元PRERSI7}由于法蘭接頭及內部結構較為復雜，為得到較好的精度網格，采用手動限制單元大小，各元件獨立劃分的方法設置網格，經過多次驗算，表明該網格滿足所需精度要求，網格如圖所示。法蘭接頭涉及到2種工作工況，一種是壓力容器所受的內壓，另一種是給法蘭接頭所施加的螺栓預緊力。對于螺栓而言則主要受到拉力及彎矩載荷，本研究并不考慮到密封墊片，所以法蘭接頭所受到的螺栓預緊力不再是密封預緊力，而是螺栓工作載荷與殘余應力之和，根據API規范，取為35kN在邊界條件處理上，由于法蘭接頭在結構、載荷和約束上都具有周期性的軸對稱性質，因此，在有限元模型的2個對稱平面上施加對稱約束，約束這2個平面上的節點周向位移，同時在與下法蘭環相連接筒體的截斷端施加面軸向固定約束。
法蘭在內壓及螺栓預緊力2種工況下的受力情況如圖所示，最大應力發生在上下法蘭接觸處外側，最大應力值達到241MP、考慮到設備自重等因素，本文選取下法蘭為研究對象，對該危險區域應力按照加載歷史進行應力分類分析，如圖所示。由圖可以看出，最終總應力值達到許用應力的53.6。彎曲應力最終占總應力的32.4。圖中載荷步是依據容器內壓與螺栓等效壓力之和來設定，螺栓與螺母接觸強度如圖所示，最大應力值發生在螺帽與螺柱相接觸的地方，最大應力值達到398MPG，對該危險區域進行應力分析如圖所示。由圖可以得到，最終總應力值達到許用應力的520，彎曲應力占總應力的17.80。
1)在容器內壓4.5MPa及螺栓預緊力35kN的作用下，法蘭接頭最大應力發生在上法蘭與螺母相接觸的位置，最大應力達到241MPG彎曲應力占32.4，需要特別關注。并且在封頭與法蘭接頭處由于不連續應力也存在較大的應力強度分布。
2)螺栓由于受到軸向的拉應力，還受到彎曲力矩的作用，所以螺栓的應力強度在螺栓受拉力一側最大，而且整體受力不均勻，發生彎曲變形，最大應力值達到398MPG，彎曲應力所占比重較小，為17.8。
3)通過ANSYS軟件對法蘭接頭作整體分析，介紹了一種分析法蘭強度的可行性方法，克服了傳統分析的不足，對于解決類似非線性約束問題具有一定借鑒意義。
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