基于有限元的法兰接头强度特性分析

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法兰有限元分析1

法兰有限元分析1.下法兰计算1.1 下法兰计算模型下法兰卡紧方式是通过卡箍将产品法兰与加压端法兰卡紧。

经过适当简化，建立如图1所示计算模型。

图1 下法兰计算模型简图在产品法兰上端面施加全位移约束fix-all；在加压端法兰内表面施加压力F。

1.2 下法兰分析结果在t1100压力作用下，产品法兰，加压端法兰以及卡箍的应力分布情况分别如图2，图3，图4所示。

从下图可以看出产品法兰等效应力的最大值为MPa423，位于Φ199通孔6.最薄弱处（如图上Max标示处）；最大主应力的最大值为MPa456，位于Φ1995.通孔边的R100圆弧上（如图下左Max标示处）；最大剪应力为MPa184，位于8.Φ199通孔最薄弱处（如图下右Max标示处）。

图2 产品法兰应力分布图（MPa）从图3上看，加压端法兰等效应力的最大值位于面上那6个黄点上，但那是由于接触引起的局部应力集中，不予考虑，实际等效应力最大值位置位于中心Φ50通孔上，最大值为MPa452，同样位于9.4.337，最大主应力的最大值为MPaΦ50通孔上（如图右Max标示处）。

图3 加压端法兰应力分布图（MPa ）卡箍应力分布如图4所示。

其等效应力的最大值位置如图左Max 标示处，最大值为MPa 4.278；最大主应力的最大值位置如图右Max 标示处，最大值为MPa 1.292。

图4 卡箍应力分布图卡箍的变形用其位移量分布图来表示，卡箍Y 向与Z 向位移量分布如图5。

由图看出卡箍在整个装配中向外位移了mm 901.2，自身向外拉伸了mm mm mm 297.3)396.0(901.2=--。

卡箍在整个装配中轴向位移了mm 048.3，卡箍自身轴向拉伸了mm mm 651.2)863.2(212.0=---。

图5 卡箍位移量分布图（变形效果夸张100倍时效果图）2.上法兰卡抓计算2.1 上法兰卡抓计算模型上法兰卡紧方式是通过卡抓将产品法兰与加压端法兰卡紧。

6瓣卡抓均匀分布在加压端法兰的卡槽里，为了简化计算，取其中1个采用周期对称分析。

活节螺栓法兰垫片连接系统有限元分析与结构改进

ｉｂｌａｇｇｓｅｃｎｅｔｎｓｔｐｅｕｅｅｓｌｅｇｅｙｓｅａｔｙｕｉＢＱＳｏｗｌ：ｏｆｎｅａｋｔｏｎｃｏｓｍｏｒｓｒｖｓｓｎｄｂｍｆｃｒｎＡＡＵｊａｔｌｉｙｅｆｓｅｄｉｏｏｓｇｓ￣＇ｅｃｎｉｒｇｈｌｏｐｅｔｈｎｇｏｅｎｔｎｌｒｓｒｉｉｈｓｓｌｔｔｒｓｎｎｉ ÷ ｏｓｅｉｅｏｒｉｔｉｆｒｄｉｅａｐｅｕ．ｅｓｅｌｎｏｈｓｅｔｓｄｎｔｒｅｆ－ｇｅｎｃａｎｒｓｅｎｔａｓＴｅｔｓｉｅ一Ｔ￣ｆ
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（ｃｏｌｆｈｍｃｌｎｎｒｙＥｇｅｒｇＺｅｇｈｕＵｉｅｓｙＺｅｇｈｕ４００，ｈｎ）ＳｈｏｅｉａａｄＥｅｇｎｉｅｉ，ｈｎｚｏｎｖｒｉ，ｈｎｚｏ５０１ＣｉａｏＣｎｎｔ
王定标姜逢章雷风林黄刘刚（郑州大学化工与能源学院，郑州４００）５０１Ｆｎｔｌｉｉｅｅｍｅｔｎｌｓｓａｄｓｒｃｕａｅｎａｙｉｎｔｕｔｒｌｍｐｒｖｍｅｔｏｙｌｔｂｌｆｎｅａｉｏｅｎｆｅｅｏｔｌｇｅａｇｓｅｏｎｃｉｎｓｓｅａｋｔｎｅｔｙｔｍｃｏ
÷ 【摘要】应用ＡＡＵ软件，ＢＱＳ在考虑预紧力和内压作用的工况下，对某厂所设计的压力容器非 ÷ ｉ标活节螺栓法兰垫片连接系统进行三维有限元应力分析。根据应力分析结果进行线性化处理，按照ｊ ÷ Ｊ４３— ９５钢制压力容器一Ｂ７２１９（分析设计标准》对其进行应力强度评定。结果表明，由于结构的复杂性， ÷

承受外弯矩作用的法兰接头有限元分析

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万方数据
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承受外弯矩作用的法兰接头有限元分析
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作为研究对象，分析借助有限元软件 !"#$#。在有限元模型中，法兰环、连接壳体、螺栓都采用实体单元 #%&’()* 模拟。使用 +,-./012.3)4 单元模拟垫片的非线性行为，该单元由 !"#$# 自动生成，只考虑轴向力，忽略表面摩擦力。螺母与法兰表面之间采用也忽略摩擦力。 5%,-12-364 接触单元模拟，
［;］由于 :@A5 实验所用传感片的宽度仅为 3786
而垫片宽度为 7384 II，所以传感片只能测量 II，垫圈外周边部分面积上的接触应力，如图 ; 所示。
图3 垫片的应力—应变曲线
法兰受拉侧（图 ; 上半部 :@A5 的外弯矩实验表明，分）对应的垫片应力在外弯矩的作用下急剧降低，因此，认定当垫片应力低于内压时，法兰表面和垫片表面完全分离，此时将产生大量泄漏。另外，
［4］所做的数值分析也证实了上述结论，并 F%JK’(8 ! 将外弯矩作用下的垫片分为压紧和回弹两部分，受
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图7 法兰接头的有限元模型
压侧法兰对应的垫片被重新压紧，即垫片应力增加，而受拉侧法兰对应的垫片产生回弹，即垫片应力减小。故需分别研究每一部分的紧密性，结果表明，合理控制垫片最低应力的分布能够保证接头的紧密行计算，以避免整个垫片上较高的平均应力值掩盖接头真实的泄漏行为。
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螺栓法兰接头广泛用于管道连接，除受压力载荷外，通常还承受其它外载荷，如风载荷、地震载荷、附加管道应力等，当这些载荷达到一定数值时，将引起连接泄漏。因此，研究承受外载荷的螺栓法兰接头已成为密封研究领域的一个新热点。在求解外载荷作用下的螺栓法兰连接问题时，由于其材料特性和外部载荷的不规则性，求其解析解较为繁复。通常寻求近似解，其中有限元法是解决螺栓法兰接头复杂问题既经济又有效的办法。本文采用三维有限元方法，考虑垫片的非线性特性，模拟计算法兰、螺栓、垫片三者之间地相互作用，以及外弯矩对接头性能的影响，以有效地评价法兰接头的紧密性。

常用法兰规格的应力分析与强度计算

常用法兰规格的应力分析与强度计算一、引言法兰是工业管道系统中常见的连接元件，用于连接管道、阀门、设备等，并通过螺栓紧固以保证系统的密封性和强度。

在设计和选择法兰时，了解其应力分析与强度计算是至关重要的，以确保法兰的可靠性和安全性。

本文将介绍常用法兰规格的应力分析与强度计算方法。

二、应力分析1. 内压应力法兰受到工作介质内压的作用，内压应力是法兰中最主要的应力来源之一。

内压应力的计算可以通过以下公式进行：σ_i = P * D / (2 * t)其中，σ_i为内压应力，P为内压力，D为法兰标称直径，t为法兰板厚。

2. 弯曲应力当管道系统中的载荷作用于法兰时，法兰会承受一定的弯曲应力。

弯曲应力的计算可以通过以下公式进行：σ_b = (M * y) / (I * c)其中，σ_b为弯曲应力，M为弯矩，y为法兰板的距离中心轴线的距离，I为截面惯性矩，c为最大距离。

3. 拉伸应力法兰连接部分的螺栓紧固会导致法兰板之间产生拉伸应力。

拉伸应力的计算可以通过以下公式进行：σ_t = (F / A)其中，σ_t为拉伸应力，F为螺栓的拉力，A为法兰板的横截面积。

三、强度计算1. 抗拉强度计算法兰在使用过程中需要承受拉伸载荷，因此需要满足一定的抗拉强度要求。

抗拉强度的计算可以通过以下公式进行：F_t = σ_t * A其中，F_t为法兰的抗拉强度，σ_t为拉伸应力，A为法兰板的横截面积。

2. 抗压强度计算法兰在受到工作介质内压时需要满足一定的抗压强度要求。

抗压强度的计算可以通过以下公式进行：F_c = σ_c * A其中，F_c为法兰的抗压强度，σ_c为内压应力，A为法兰板的横截面积。

3. 抗弯强度计算法兰在承受弯矩载荷时需要满足一定的抗弯强度要求。

抗弯强度的计算可以通过以下公式进行：F_b = σ_b * S其中，F_b为法兰的抗弯强度，σ_b为弯曲应力，S为法兰的截面面积。

四、案例分析以常用的标准法兰规格（例如GB/T9115.1、GB/T9115.2等）为例，通过实际数据代入应力分析与强度计算公式，可以得出具体的应力值及强度值。

有限元分析最新法兰算例

题目：成都石化设计院用于某容器上的带增强法兰的球封头，结构尺寸如图，工作载荷为内压0.8Mpa ，螺栓载荷为535574N ，材料为20R 。

请按照分析设计的要求分析该结构在上述工况下操作时的各类应力并进行强度校核。

一、载荷分析 1.用户数据根据设计图，计算基础数据如下：2.结构参数以下所有厚度均为有效厚度，长度单位：mm中心接管参数图1: 带增强法兰的椭圆封头-中心接管参数示意图封头参数图2: 带增强法兰的椭圆封头-封头参数示意图法兰参数图3: 带增强法兰的椭圆封头-法兰参数示意图3.材料参数4.载荷条件接管端面已自动施加由内外压差引起的边界等效压力。

二、结构分析根据法兰结构特点，应进行带增强法兰的椭圆封头的应力分析，建立力学模型如下：(1)力学模型根据带增强法兰的椭圆封头的结构特点和载荷特性，采用了三维力学模型。

图4: 带增强法兰的椭圆封头网格图(2)边界条件位移边界条件图5: 带增强法兰的椭圆封头X方向约束图6: 带增强法兰的椭圆封头Y方向约束图7: 带增强法兰的椭圆封头Z方向约束力边界条件参见“载荷分析”。

(3)单元选择网格剖分采用8节点六面体单元和6节点三棱柱单元。

三、应力分析结果图8: 带增强法兰的椭圆封头变形图及σp3应力分布图四、强度评定图9: 第1条分析路径局部图第1条分析路径(内节点2917, 外节点883)总体薄膜应力强度：S I = 29.53 < KS m t= 144.20MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 35.39 < 1.5KS m t= 216.30MPa 一次加二次应力强度：S IV = 35.39 < 3.0KS m t= 432.60MPa图10: 第2条分析路径局部图第2条分析路径(内节点572, 外节点673)局部薄膜应力强度：S II = 37.27 < 1.5KS m t= 186.90MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 37.27 < 1.5KS m t= 186.90MPa 一次加二次应力强度：S IV = 42.18 < 3.0KS m t= 373.80MPa图11: 第3条分析路径局部图第3条分析路径(内节点3573, 外节点3600)总体薄膜应力强度：S I = 5.92 < KS m t= 124.60MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 6.59 < 1.5KS m t= 186.90MPa 一次加二次应力强度：S IV = 6.59 < 3.0KS m t= 373.80MPa图12: 第4条分析路径局部图第4条分析路径(内节点4676, 外节点677)局部薄膜应力强度：S II = 13.06 < 1.5KS m t= 171.90MPa薄膜加弯曲应力强度：S III = 13.06 < 1.5KS m t= 171.90MPa 一次加二次应力强度：S IV = 25.13 < 3.0KS m t= 343.80MPa 该容器强度校核合格。

27_塔筒法兰结构的强度分析_龙凯

塔筒法兰结构的强度分析龙凯叶弘翔张健美华北电力大学可再生能源学院北京 102206摘要：采用hyperworks组件下的hypermesh软件，建立了单法兰有限元模型。

分析了单法兰的应力分布。

在此基础上，进行了结果统计，得到了在结构和受力方面的变化趋势关键词：塔架，有限元，法兰0 引言随着风力发电机组的大型化，风力发电机组塔筒法兰的设计问题日益突出。

为了降低制造成本，提高法兰承载能力，减小制造难度，对于法兰的研究就显得尤为重要。

孙鹏等[1]认为为了减小附加弯矩的不利作用，螺栓布置越接近钢管壁越好。

王元清[2]等运用屈服线理论，得到由法兰厚度控制的弯矩承载力，并与有限元计算和试验结果进行比较，证明其具有合理性和良好的适用性，采用半T 型连接模型，考虑螺栓撬力影响，得到螺栓与法兰厚度等强的表达式，得到法兰连接节点在弯矩作用下的设计流程，为法兰连接节点设计提供有效途径。

本文建立了单法兰有限元模型，分析了单法兰在结构和载荷两方面的影响。

在此基础上，提出单法兰设计流程图。

1 不同拉力下单法兰分析为了考察不同大小拉力作用对法兰结构受力的影响，在原有预紧力作用下，对法兰顶部施加单点平均受力分别为0N、0.2kN、0.4 Kn-1.8 kN 、2kN，受力点为135个。

分别对此进行应力分析，受力状况如表2-2所示，为了观察合力与应力之间的关系，通过表2-2的数据得到如图2-5和2-6所示的曲线。

2 不同预紧力下单法兰分析由于为了考察不同预紧力作用下对于法兰受力和强度破坏的影响，分别对模型施加原有预紧力1倍，1.05倍，1.1倍，1.15倍，1.2倍的预紧力，统计规律如图2和图所示。

图3 不同预紧力下螺栓结构统计图0N1000N 2000N图4 不同预紧力下法兰结构统计图由图3可知，不同预紧力下螺栓结构的应力基本与预紧力大小成正比，且变化范围很小。

另外，由图4可知，不同预紧力下法兰结构的最大应力变化很大，但是最终会趋于一致，这说明在适当增加预紧力时不会导致法兰结构的过早破坏，而且还能减小法兰应力的波动范围，提高法兰的疲劳寿命。

采用VDI2230的风力发电机组塔筒法兰联接处螺栓强度分析.

设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程(ModernManufacturingEngineering)2011年第5期采用VDI2230的风力发电机组塔筒法兰联接处螺栓强度分析*陈真,杜静,何玉林,刘卫,冯博(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044)摘要:针对风力发电机组塔筒法兰联接处螺栓轴线与法兰横向对称中心线不一致,且螺栓所受外载荷为偏心载荷的问题,基于VDI2230螺栓联接理论对法兰联接处螺栓进行理论分析,计算出实际工况下螺栓螺纹处的等效应力,采用有限元理论对法兰联接处螺栓在MSC.Marc/Mentat环境中进行接触强度分析,有限元结果与理论计算结果基本吻合。

研究为螺栓联接强度分析提供了新的思路。

关键词:螺栓;VDI2230螺栓联接理论;风力发电机;有限元中图分类号:TM614 文献标志码:A 文章编号:1671 3133(2011)05 0125 05 StrengthanalysisofboltjointonwindturbinetowerflangebasedonVDI2230 CHENZhen,DUJing,HEYu lin,LIUWe,iFENGBo (TheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity,Chongqing4 00044,China)Abstract:Fortowerflangeandboltjointofwindturbine,theaxisofboltisinconsistentwiththeho rizontalsymmetryaxisofflange.Theboltofflangesufferedeccentricload.Thetheoreticalanal ysisofsuchcasewascarriedoutreferringtothetheoryofVDI2230.Equivalentstressunderactu alconditionwasobtained.Onbaseoffiniteelementtheorycontactstrengthanalysisofflangean dboltswereconductedinMSC.Marc/Mentat.Theresultoffiniteelementanalysisisapproxima telyagreeablewiththetheoreticalresult.Providesanovelapproachforstrengthanalysisofbolt. Keywords:VDI2230;boltjoint;windturbine;finiteelement0 引言塔筒法兰联接处螺栓作为风力发电机组重要的联接件,其联接的可靠性决定着整个风力发电机组的整体可靠性,传统螺栓联接强度理论只对螺栓组联接受轴向载荷或受倾覆力矩的情况进行了简单分析[1]论在MSC.Marc/Mentat环境中进行螺栓接触强度分析,为螺栓联接设计提供新的理论依据。

某法兰盘有限元分析报告

法兰盘有限元分析报告姓名：学号：学院：机械学院法兰盘有限元分析报告一，总述本报告依托于。

，针对一个法兰盘，运用Hypermesh9.0进行有限元分析前处理，并用软件自带的RADIOSS求解器进行求解分析确定法兰盘的设计尺寸。

二，研究背景某自卸车转向节设计：转向节的结构形式如下图所示：本报告针对的是上图标号为10转向节的法兰盘进行设计。

充分考虑到自卸车的工况，进行力学分析，得出此法兰盘的应力分布情况，进而确定此法兰盘的结构及尺寸（主要是法兰的厚度设计）。

具体做法是：首先通过UG建模，然后导入Hypermesh9.0进行画网格，并用RADIOSS 进行求解应力分布，获取完全满足材料的屈服极限及疲劳强度的结构。

最终结构及设计尺寸如下模型所示，分析证明这种结构完全满足了自卸车转向节的力学性能且材料经济性。

三，模型的建立1，UG建模法兰盘的厚度是本报告最主要的设计尺寸。

根据经验和同型号其他车型的设计尺寸，初取法兰盘厚度为30mm，在UG中建模如下图所示。

2，画网格将上述UG模型导入到Hypermesh9.0中进行有限元分析前处理，选用五面体和六面体实体网格，画网格后如下图所示3，设置材料参数定义材料属性：弹性模量E=2.1×105 Mpa，泊松比μ=0.3，设置对话框如下图所示4，施加载荷与约束根据法兰盘的受力情况：受到周向力矩，将其装化成沿周向的切向力，故在8个安装孔中心处施加8个大小相等的周向力153KN；在安装面φ400mm上被压紧，没有位移，故在φ400mm上添加约束。

加载后如下图所示：三，计算结果使用RADIOSS求解器求解法兰盘的应力与应变云图如下图所示：应变云图应力云图附，计算结果运行时间四，计算结果分析根据计算结果对比厚度为30mm ，25mm ，20mm 三种情况的应力与应变分布情况，综合考虑力学性能和经济性，选择厚度尺寸为25mm 。

根据上表可知，厚度为25mm 时，最大变形量为0.05mm ，最大应力为98.47MPa 。

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌａｎｇｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｉｓｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｅａｌａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｕｓｉｔｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｅ－
Ｍｉｓｅｓｓｔｒｅｓｓ，ｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎｔｈｅｐｒｅ — ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１４０ｋＮ，ｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａ — ｔｉｏｎｏｃｃｕｒｓｎｅａｒｔｈｅｂｏｌｔｈｏｌｅｏｆｌｆａｎｇｅｐｌａｔｅ．Ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｏｆｌａｆｎｇｅｆａｃｅｉｎｔｈｅｐｒｅ — ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｓｔａｔｅｉｓｇｒｅａｔｅｒ
ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅＦＥＭｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ＡｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｏｆｌａｆｎｇｅｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅＦＥＭｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｏｌｔ ’ Ｓｐｒｅ－ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｍｅｄｉｕｍｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｌａｆｎｇｅｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎａｎｄｓｅａｌ — ａｂｉｌｉｔｙｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｂｏｌｔ ’ Ｓｐｒｅ — ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｔｈｅｂｉｇｇｅｒｔｈｅｌａｆｎｇｅ’ ＳＶｏｎ
中图分类号：ＴＥ９３３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ — ４５７８．２０１３．０４．０２３
ＦＥＭＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＦｌａｎｇｅＪｏｉｎｔＳｔｒｅｎｇｔｈＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
应变对法兰应力、应变和密封性能的影响。分析结果
表明，螺栓的预紧力越大，法兰的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力、接触应力和变形量就越大；当螺栓预紧力大于１４０ｋＮ时，法兰盘的螺栓孔附近发生塑性变形；预紧状态下的法兰面接触应力大于工作中的接触应力；介质压力越大，法兰的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力值越大，法兰面上的接触应力越小。关键词：法兰连接；有限元；ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力；接触应力；法兰接头；强度
ｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｔｈｅｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ（ＦＥＭ）ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｌｆａｎｇｅ，ｇａｓｋｅｔａｎｄｂｏｌｔ
ＨａｎＣｈｕａ￣ａｎＺｈａｎｇＪｉｅＮｉｕＳｈｉｗｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
石油
一
机
械
９８一
ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
２０１３年第４１卷第４期
●油气田开发工程
基于有限元的法兰接头强度特性分析
韩传军张杰牛世伟
（西南石油大学机电工程学院）
摘要：法兰连接具有较高的强度和密封性，被广泛地用于石油化工设备和管道中。依据有限
元原理，建立了由法兰、垫片和螺栓组成的连接有限元模型，并在有限元软件中对法兰的应力、