法兰和螺栓计算软件
基于ANSYS软件的螺栓法兰连接结构应力和疲劳分析
基于ANSYS软件的螺栓法兰连接结构应力和疲劳分析徐静;薛欣玮;卢健【摘要】为保证风力发电机在恶劣的自然环境中可靠运行,需要对风力发电机塔架转接段法兰进行应力和疲劳分析.应用ANSYS有限元软件对风力发电机塔架的螺栓法兰连接结构进行应力分析,分析结果显示:当施加载荷时,法兰和螺栓中都出现应力集中;随着载荷的增大,法兰还出现弯曲现象;外侧螺栓产生的应力小于对应内侧螺栓产生的应力,可见内侧螺栓受到的影响较大,应特别注意.通过疲劳分析,确认选择35CrMoA合金钢材作为螺栓法兰结构的整体材料符合使用要求,为螺栓法兰结构选材提供了理论依据.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2018(056)012【总页数】4页(P17-20)【关键词】螺栓;法兰;连接;应力;疲劳;计算机【作者】徐静;薛欣玮;卢健【作者单位】西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TH131.31 研究背景随着全球大气污染越来越严重，清洁环保的风能发电成为人们竞相研究的热点［1-2］。
风力发电机组一般都安装在风力资源较为充沛、自然环境较为恶劣的野外［3-4］，为了保证风力发电机在复杂的自然环境中能够可靠运行，对连接塔架各筒身的螺栓法兰连接结构进行应力分析及疲劳寿命评估是必不可少的工作［5］。
近20年来，国内外学者主要集中于对风力发电机连接塔架的标准碳钢法兰设计及垫片性能的研究［6-7］。
螺栓法兰在制造过程中，材料内部会存在一些缺陷，如气孔、夹杂和裂纹等，这些缺陷会严重影响法兰的使用寿命，如果法兰和螺栓出现损伤，那么会影响整个风力发电机的性能［8］。
因此，笔者对螺栓法兰连接结构进行材料选择，并利用ANSYS软件对其进行应力及疲劳寿命分析，为结构设计和优化分析等后续研究工作提供理论依据。
2 螺栓法兰连接结构及材料选择风力发电机塔架上的螺栓法兰连接结构由上法兰、下法兰、垫片和螺栓组成，在这一结构中，螺栓与螺母紧固，用于连接上、下两个法兰，法兰上分布着内、外侧螺栓。
法兰板厚度,螺栓计算
法兰板厚度,螺栓计算【原创实用版】目录1.引言2.法兰板厚度概述3.螺栓计算原理4.螺栓计算方法及步骤5.螺栓计算的注意事项6.结论正文1.引言在工程设计中，法兰板和螺栓是管道连接中非常常见的部件。
正确选择法兰板厚度以及进行合理的螺栓计算，对于保证管道连接的稳定性和安全性至关重要。
本文将对法兰板厚度和螺栓计算进行详细阐述。
2.法兰板厚度概述法兰板，又称法兰，是指用于连接管道、阀门、泵等设备的一种盘状零件。
法兰板厚度的选择主要取决于管道的工作压力、介质、温度等因素。
一般来说，法兰板厚度越大，承受压力的能力越强。
但在实际工程中，还需考虑经济性和可操作性，避免过度设计。
3.螺栓计算原理螺栓计算的主要目的是确定螺栓的数量、规格和长度，以保证管道连接的稳定性和安全性。
计算过程中需考虑法兰的厚度、管道的公称直径、工作压力、密封面形式等因素。
4.螺栓计算方法及步骤(1) 根据法兰的厚度、管道的公称直径和工作压力，查表或公式得到螺栓的预紧力。
(2) 根据预紧力、螺栓的材料和规格，计算螺栓的拉伸变形量。
(3) 根据拉伸变形量和螺栓的长度，计算螺栓的伸长量。
(4) 根据伸长量和螺栓的初始长度，确定螺栓的最终长度。
(5) 根据管道的公称直径和螺栓的规格，确定螺栓的数量。
5.螺栓计算的注意事项(1) 螺栓的计算应遵循相应的设计规范和标准。
(2) 在计算过程中，应充分考虑管道的工作环境，如高温、高压、腐蚀等。
(3) 为保证螺栓的稳定性和安全性，不得随意减少螺栓数量或长度。
6.结论正确选择法兰板厚度和进行合理的螺栓计算，对于保证管道连接的稳定性和安全性至关重要。
PDS、PDMS软件的螺栓和垫片问题
PDS、PDMS软件的螺栓和垫片问题探讨PDS（PLANT DESIGN SYSTEM）是美国INTEGRAPH公司开发的工厂设计系统，PDMS（PLANT DESIGN MANAGEMENT SYSTEM）是英国A VEV A 公司设计的工厂设计管理系统，这两大三维软件是目前智能工厂设计中最主流的软件。
随着各工程公司的总承包项目越来越多，对材料控制力度和准确度的要求也越来越高。
目前在大中型项目的现场，施工方领料大都以三维软件抽出的ISO 轴测图上的材料表为准，材料控制人员以此来控制现场的领料情况。
因此这就对三维软件的数据库创建和维护都提出了更高的要求。
因为项目现场人员经常抱怨ISO轴测图上有缺失螺栓垫片和螺栓长度不对的情况，所以针对PDS、PDMS三维软件的螺栓和垫片问题进行了探讨。
以下主要针对三点：1、螺栓的长度问题。
2、等级分界时螺栓垫片的处理。
3、螺栓垫片在PDS和PDMS中各自需要注意的事项。
1、螺栓长度的问题螺栓如果过长，会容易生锈影响拆装，还有螺栓的倒角是在制造厂用车床车出来的，要在现场倒角也比较麻烦；螺栓如果过短，会影响连接效果，或直接作废。
因此对螺栓的长度要求比较高。
PDMS和PDS三维软件的螺栓长度都是软件自动计算出来的，即把法兰厚度、垫片厚度和附加长度，三者加和后以5毫米进行圆整。
附加长度里包括了螺母厚度、两个螺距及法兰和螺母的厚度正偏差。
如果中间还有对夹元件，螺栓长度计算时也会把对夹元件的长度加进去。
经过比较，旧版的《钢制管法兰、垫片、紧固件》-1997年里的螺栓长度过长，AMSE B16.5标准里的螺栓偏短。
而新版的《钢制管法兰、垫片、紧固件》-2009年里的螺栓长度做过调整，长度适宜，可以参考。
因为三维软件的螺栓长度是其自动计算出来，所以没法做到和《钢制管法兰、垫片、紧固件》-2009里的长度一模一样，但最好也要通过调整螺栓的附加长度使其控制在±5mm的偏差内。
Plant 3D螺栓长度计算
Plant 3D螺栓长度计算当使用法兰连接时，法兰和螺栓元件的法兰厚度值用于计算螺栓长度：1.如果法兰和螺栓的法兰厚度值相同，或者其中一个没有设置。
●非对夹式法兰连接，直接使用螺栓定义长度：●对夹式法兰连接：螺栓计算长度=螺栓定义长度+管件长度（图形长度）+垫片厚度（图形厚度）2.如果法兰和螺栓的法兰厚度值不同。
●非对夹式法兰连接，螺栓计算长度=螺栓定义长度+法兰的法兰厚度*2-螺栓的法兰厚度*2。
●对夹式法兰连接，螺栓计算长度=螺栓定义长度+管件长度（图形长度）+垫片厚度（图形厚度）+法兰的法兰厚度-螺栓的法兰厚度3.不管上面哪种情况，最后都会对螺栓长度进行圆整。
如果没有找到对应的映射标准，螺栓长度将在螺栓计算长度的基础上按10mm圆整。
注意：如果元件库的螺栓映射长度不能同步到等级库中，需要手动修改等级库的StandardBoltLength表。
✧也就是说，螺栓长度不是通过法兰厚度+垫片厚度计算得出的，所以必须手动输入螺栓定义长度值，并且输入值至少要大于或等于（2个法兰厚度+1个垫片厚度+延伸长度L），否则最后计算结果不合理，出现螺栓计算长度小于图面测量值的情况。
因此，在实际建库过程中，要输入螺栓定义长度、法兰元件的法兰厚度，螺栓的法兰厚度设为空！测试过程●使用SQLite编辑器修改AutoCAD Plant 3D 2015 Content下的等级库文件，然后复制到项目文件夹下的Spec中，再使用等级库查看器调用元件。
这样不会提示只读而无法保存。
注意：SQLite编辑器修改螺栓长度、法兰厚度等要刷新才有效。
●可设置映射长度增量为1，这样得到真实长度，而不是圆整后的长度，方便测试。
●元件库中法兰、螺栓、垫片、对夹式阀门的定义（1）非对夹式法兰连接，法兰和螺栓的法兰厚度值相同，或者其中一个或都没有设置：直接使用螺栓定义长度（2）非对夹式法兰连接，法兰和螺栓的法兰厚度值不同：螺栓定义长度+法兰的法兰厚度*2-螺栓的法兰厚度*2=螺栓计算长度87.0 + 20.0 + 20.0 – 18.0 – 18.0 = 91.0螺栓定义长度+法兰的法兰厚度*2-螺栓的法兰厚度*2=螺栓计算长度87.0 + 18.0 + 18.0 – 20.0 – 20.0 = 83.0（3）对夹式法兰连接，法兰和螺栓的法兰厚度值相同，或者其中一个或都没有设置：螺栓定义长度+管件长度+垫片厚度=螺栓计算长度87+60+2=149（4）对夹式法兰连接，法兰和螺栓的法兰厚度值不同：螺栓定义长度+管件长度+垫片厚度+法兰的法兰厚度-螺栓的法兰厚度=螺栓计算长度87+60+2+20-18=151螺栓定义长度+管件长度+垫片厚度+法兰的法兰厚度-螺栓的法兰厚度=螺栓计算长度87+60+2+18-20=147。
法兰和螺栓设计计算软件
圆柱销长度 L, mm
轴与蝶板间 圆柱销校核 轴上扭矩 M, 483 N.M 许用剪切强 35000 度 [ τ],MPa
120 轴径 D, mm 销的直径 , d,
250 mm 销的数量 n,
35 个 轴销剪切应 力计算
50 τ ,Mpa
70000 145 200 50 3
59.42
2555729.94 82.88 95.68
校核合格 校核合格
螺栓预紧 系数 K0
联接情况
法兰及短管重量快速计算
法兰或短管外径 ,mm
法兰或短管内径 ,mm 法兰厚度或短管长度 ,mm 法兰或短管重量 ,Kg
紧固静载
7
荷
紧固变载
荷
紧密软垫
紧密金属 4664 垫
紧密金属 4600 平垫 1000
3655.20
密封安全系数 fs
1.2
垫片松弛系数 y
1.1
垫片单边实际宽度 bD, mm
75. mm
垫片操作系数 k1=bD, mm 垫片系数 ko ×KD 变形阻力
N/mm
75. mm 1125
力臂 SD,mm
125. mm
力臂 ST, mm
112.5 mm
力臂 SG, mm 短管计算厚度 ts ,mm
100. mm 4.17 mm
钢号
抗拉σｂ
屈服σｓ
1.2 ～２ 2.0 ～4.0 1.5 ～2.5
2.5 ～3.5 3.0 ～4.5
连杆螺栓
0.2
10 335～400
205
钢板联接
+金属垫
0.2 ～0.3 Q235A 375～460
235
(中文)KISSsoft软件基础培训 螺栓
三. VDI 2230标准简单剖析
法兰联接处的螺栓，其联接的可靠性决定着整个系 统整体的可靠性。传统螺栓联接强度理论只对螺栓组联接 受轴向载荷或受颠覆力矩的情况进行简单分析。 螺栓联接从联接方式可分为： 同心夹紧和偏心夹紧，即螺栓轴线 与被联接弹性体横向对称中心线是 否一致（如图1中s-s线和o-o线）。 从加载方式可分为：同心加载 和偏心加载，即外载荷作用线与螺 栓轴线是否一致。采用VDI 2230从 新的角度对螺栓联接进行理论分析， 为螺栓设计提供新的理论依据。
五. KISSsoft螺栓模块介绍 螺栓连接设计的设计方法为剩余夹紧力FKR至少要等于保证螺栓 连接功能所需要的夹紧力Fkerf。这一剩余夹紧力必须保证满足密封 要求或者摩擦连接。因此：FKR>=Fkerf。
三. VDI 2230标准简单剖析
1.3 螺栓的柔度
对于螺栓的弹性变形，不仅要考虑到螺栓被夹持长度 范围内的弹性变形，也要考虑到这个范围之外的弹性变形。 因为在螺栓联接中，这个区域对螺栓的变形情况也会产生 影响。 螺栓由若干单个要素组成，可以由一些长度为li、横 截面积为Ai的圆柱体所代替，单个螺栓变形示意图如图2 所示。图2中，lsk为螺栓头部变形等效长度；lGM为螺纹啮 合等效长度。
三. VDI 2230标准简单剖析
Es是螺栓材料的杨氏模量，在力F的作用下，单个要 素的伸长量fi可表示为：
因此，可得到一个圆柱体单要素在轴线方向的弹性柔 度δi为：
在螺栓中，圆柱体要素是依次排列的，因此在被夹持 长度范围内和其他变形区域内，螺栓总的柔度δs是由一系 列单个圆柱体要素的柔度累加得到：
三. VDI 2230标准简单剖析
1.2 被联接件弹性变形体的柔度
1.2.3 偏心夹紧及偏心加载的情况
ASME软件PVElite中法兰的设计及参数选取
ASME软件ＰＶＥｌｉｔｅ中法兰的设计及参数选取摘要：主要介绍了ASME标准的法兰设计，以及计算软件PVELITE中，法兰参数值输入，以及法兰的选型及计算。
关键词：ASME；PVELITE；设备法兰；设计1. ASME法兰设计原理1.1计算方法压力容器法兰国际上应用最为广泛的计算方法属Waters计算法, 美国ASME 、中国GB150、日本JIS等国家标准都采用Waters计算法。
本方法通过计算法兰力矩，用法兰的力矩来计算法兰三向应力（轴向，径向，环向应力），然后校核法兰的强度。
Waters法自1937 年提出至今, 几乎在世界范围内经历长期广泛实践考验。
证实该方法在极大多数情况下使用情况良好。
ASME Ⅷ -1 2004 年版又补充了法兰刚度计算的建议（我国 GB 150.3第3部分：设计2011年版的修改中也增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法兰的刚度校核计算要求）。
法兰的刚度校核刚度需指数J≤1。
刚度计算公式J=52 .14MoV/(LEg2oho kI)≤1与GB 150.3公式7-23是一致的。
2. PVELITE中法兰的设计步骤2.1法兰类型软件为用户准备了9种类型的法兰从左到右依次为：带颈对焊法兰（WN）；带颈平焊法兰（SO）；整体计算平焊法兰；松式法兰计算SO法兰；松式法兰计算平焊法兰；活套法兰；法兰盖；反向法兰；松式反向法兰。
下面的主要以第一种带颈对焊法兰为例进行参数输入，其他类型的法兰在此基础上会有数据的删减和特殊参数的改变，总体输入相同。
2.2ASME标准法兰的选择在PVELITE中，软件内建了基于ASME B16.5管法兰与ASME B16.47 A,B系列大直径法兰的结构尺寸数据库。
方便设计者进行调用。
如果是基于上述标准进行设计的标准法兰，就可以很方便的创建出来。
但是ASME的标准法兰基于ASMEB16.47的公称直径，法兰内径不大于60＇＇(DN1500mm)，当直径超过60＇＇的法兰设计时，没有相应的尺寸数据。
法兰和螺栓设计计算软件
重量DN3200短管壁厚25短管长度1000法兰厚度70法兰外径3650法兰内径3250法兰总重量8,338Kg 短管总重量1,988Kg10326重锤直径550重锤长度5001663.087紧固静载荷紧固变载荷法兰及短管重量快速计算紧密软垫法兰或短管外径,mm4664紧密金属垫法兰或短管内径,mm4600紧密金属平垫法兰厚度或短管长度,mm法兰或短管重量,Kg蝶阀安装螺栓计算阀体大头法兰及其类似工况下受剪螺栓组的校核输入值:计算值:螺母高度24.7可靠性系数或称防滑系 Kn1.1经计算的许用应[σ},Mpa214.2857法兰厚度32结合面摩擦系数 f0.16单个螺栓预紧力Qp, N160132法兰垫片3螺栓材料屈服极限σs，Mpa300计算螺栓直径 d1，mm35.169741结构长102安全系数 n 1.4螺栓拉应力σ1，Mpa204.5157法兰垫片3校核合格法兰厚度32扭矩 T, N.M45000螺栓应力校核结校核合格螺母高度24.7螺栓分布圆直径D,mm483螺栓直径校核结螺栓个数 Z8最小螺栓间距为3*d108双头螺栓长度221.4实际螺栓直径 d, mm36最大螺栓间距为7*d252184.8361实际螺栓间距计螺栓间距小于7*d间距合格间距合格螺栓间距最终校法兰间骑缝圆柱销的校核轴与蝶板间圆柱销校核螺孔分布中心圆 D,mm483轴上扭矩M, N.M70000骑缝销承担的力矩M,N.M35000许用剪切强度 [τ],MPa145剪切强度极限τ,Mpa120轴径 D, mm200销/键挤压强度极限[σp],Mpa250销的直径, d, mm50圆柱销直径 d,mm35销的数量 n,个3圆柱销长度 L, mm50轴销剪切应力计τ,Mpa59.42校核合格骑缝销数量, n2轴销剪切校核结剪切应力计算值τ,MPa41.41骑缝销剪切校核结果校核合格挤压应力计算值σp,Mpa82.82校核合格骑缝销挤压强度校核结轴向受拉螺栓组强度校核普通螺纹（30°）应力截面积As计算轴向总载荷p,N113.4螺纹公称直径D,12预紧系数Ko0.5螺距P,mm2刚度系数Kc0.5原始三角高度H,1.732螺栓总拉力P，N113.4115内螺纹小径D1,m9.835螺栓数量n6内螺纹中径D2,m10.701拉伸强度计算值σt,Mpa0.31D1－H/6的值d3，9.546材料屈服点σs，Mpa355应力截面积As，80.494安全系数n 1.5材料许用拉应力σlp，Mpa236.67阀门试压总压力计算螺栓校核结论校核通过阀门通径D,mm3800计算螺栓直径d0.36阀门试压压强P,0.1阀门试压总压力1.13E+02螺栓预紧系数K0螺栓相对刚度系数Kc螺纹连接常用材料机械性能Mpa Ko值联接型式Kc值钢号抗拉σb屈服σs1.2～2连杆螺栓0.210335～4002052.0～4.0钢板联接+金0.2～0.3Q235A375～4602351.5～2.5钢板连接+皮0.7355303152.5～3.5钢板连接+铜0.8456003553.0～4.5钢板连接+橡0.940Gr98078563411450798。
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DN32007紧固静载荷短管壁厚25紧固变载荷短管长度1000法兰及短管重量快速计算紧密软垫
法兰厚度70法兰或短管外径,mm4664紧密金属垫法兰外径3650法兰或短管内径,mm4600紧密金属平垫法兰内径3250法兰厚度或短管长度,mm1000
法兰总重量8,338Kg法兰或短管重量,Kg3655.20
短管总重量1,988Kg
10326
重锤直径550
重锤长度500
1663.08
蝶阀安装螺栓计算阀体大头法兰及其类似工况下受剪螺栓组的校核
输入值:计算值:螺母高度24.7
可靠性系数或称防滑系 Kn
1.1经计算的许用应[σ},Mpa
214.2857法兰厚度32结合面摩擦系数 f0.16单个螺栓预紧力Qp, N
160132法兰垫片3螺栓材料屈服极限σs，Mpa
300计算螺栓直径 d1，mm
35.169741结构长102
安全系数 n 1.4螺栓拉应力σ1，Mpa
204.5157法兰垫片3
校核合格法兰厚度32扭矩 T, N.M45000螺栓应力校核结
校核合格螺母高度24.7螺栓分布圆直径D,mm483螺栓直径校核结
螺栓个数 Z8最小螺栓间距为3*d108双头螺栓长度221.4
实际螺栓直径 d, mm36最大螺栓间距为7*d252
184.8361
实际螺栓间距计
螺栓间距小于7*d
间距合格
间距合格
螺栓间距最终校
法兰间骑缝圆柱销的校核轴与蝶板间圆柱销校核
螺孔分布中心圆 D,mm483轴上扭矩M, N.M70000
骑缝销承担的力矩M,N.M35000许用剪切强度 [τ],MPa
145
剪切强度极限τ,Mpa120轴径 D, mm200
销/键挤压强度极限[σp],Mpa
250销的直径, d, mm50
圆柱销直径 d,mm35销的数量 n,个3
圆柱销长度 L, mm50轴销剪切应力计τ,Mpa
59.42
校核合格
骑缝销数量, n2轴销剪切校核结
剪切应力计算值τ,MPa41.41
骑缝销剪切校核结果校核合格
挤压应力计算值σp,Mpa82.82
校核合格
骑缝销挤压强度校核结
轴向受拉螺栓组强度校核普通螺纹（30°）应力截面积As计算
轴向总载荷p,N113.4螺纹公称直径D,12
预紧系数Ko0.5螺距P,mm2
刚度系数Kc0.5原始三角高度H,1.732
螺栓总拉力P，N113.4115内螺纹小径D1,m9.835
螺栓数量n6内螺纹中径D2,m10.701
拉伸强度计算值σt,Mpa0.31D1－H/6的值d3，9.546
材料屈服点σs，Mpa355应力截面积As，80.494
安全系数n 1.5
材料许用拉应力σlp，Mpa
236.67阀门试压总压力计算
螺栓校核结论校核通过阀门通径D,mm3800
计算螺栓直径d0.36阀门试压压强P,0.1
阀门试压总压力
1.13E+02
螺栓预紧系数K0螺栓相对刚度系数Kc螺纹连接常用材料机械性能Mpa Ko值联接型式Kc值钢号抗拉σb屈服σs
634 114 50 798
Mpa。