大直徑多開孔法蘭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與有限元分析

妙 叢，張 震，安 剛(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

在某氫液化裝置系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶有大直徑多開孔的立式冷箱法蘭，法蘭既要承受-0.1 MPa的因真空產(chǎn)生的大氣壓力，又要承受法蘭自重和懸掛于法蘭下的設(shè)備重量(大約10噸左右)，根據(jù)冷箱內(nèi)設(shè)備的布局已經(jīng)初步敲定了法蘭的開孔位置和個(gè)數(shù)以及法蘭直徑3600 mm，現(xiàn)需要通過計(jì)算和有限元分析得出法蘭的最優(yōu)厚度，并驗(yàn)證法蘭開孔布局是否合理以及法蘭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足實(shí)際使用需求。

從圖1可以看出，法蘭開孔非常多，最大孔直徑為760 mm，本文擬通過SW6-2011軟件初步計(jì)算出法蘭的最小厚度，再通過Ansys14.5有限元分析軟件分析法蘭受力情況，驗(yàn)證得出的最優(yōu)厚度和開孔布局是否滿足實(shí)際使用需求，如若不滿足要求則增加法蘭厚度或更改開孔布局再次驗(yàn)證。

圖1 大直徑多開孔法蘭簡(jiǎn)圖

有限元法在分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性，它能夠更全面、更直觀地反映應(yīng)力分布規(guī)律，參數(shù)化的建模方式使批量分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化變得更加簡(jiǎn)單[1]。目前，該方法已在大開孔結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算中得到了大量應(yīng)用[2-5]。

1 計(jì)算輸入

法蘭選用S30408材質(zhì)，該材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]t=137 MPa，該材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力[σ]=137 MPa，鋼板厚度負(fù)偏差C1=0，鋼板腐蝕裕量C2=0，液柱靜壓力忽略不計(jì)，所以計(jì)算壓力pc=-0.1 MPa。

法蘭其他強(qiáng)度計(jì)算輸入見表1，選用的法蘭結(jié)構(gòu)形式見圖2，其他不再贅述。

表1 法蘭強(qiáng)度計(jì)算輸入

圖2 法蘭的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖

2 計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)溫度25 ℃下封頭的計(jì)算厚度，按式：

式中：δp—封頭計(jì)算厚度，mm；K—平蓋系數(shù)，此處為取預(yù)緊時(shí)值0.3；pc—計(jì)算壓力，MPa；φ—焊接接頭系數(shù)。

通過SW6-2011進(jìn)行計(jì)算后得出法蘭的最小厚度也為70.03 mm，見表2。

表2 法蘭厚度計(jì)算結(jié)果

3 仿真驗(yàn)證

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，使用ANSYS14.5對(duì)法蘭進(jìn)行應(yīng)力分析，綜合考慮坯料厚度、安全系數(shù)、設(shè)備總重以及經(jīng)濟(jì)等因素，厚度預(yù)設(shè)為80 mm。

3.1 網(wǎng)格劃分

首先使用5級(jí)智能網(wǎng)格劃分方式自動(dòng)劃分網(wǎng)格，使用PLANE182類型，共生成13260個(gè)單元，如圖3所示。

圖3 法蘭網(wǎng)格劃分

3.2 施加載荷

對(duì)法蘭施加以下載荷和約束：

1)施加向下的-0.1 MPa的大氣壓力載荷；

2)法蘭本身自重載荷，65000 N。

3)由于冷箱是立式懸掛式結(jié)構(gòu)，冷箱內(nèi)所有的設(shè)備重量全都施加到法蘭上，這里考慮極端假設(shè)，即所有的設(shè)備重量都集中在法蘭中心，載荷大小為150000 N。

4)假設(shè)筒體為剛性，對(duì)法蘭形成向上的固定約束。

3.3 解析計(jì)算與結(jié)果

從圖5位移量云圖可以看出法蘭最大變形量出現(xiàn)在法蘭中心處，為7.9 mm，法蘭邊緣位移量?jī)H為0.4 mm，此變形量對(duì)于如此大直徑法蘭而言可以忽略不計(jì)。從圖4應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力為15.3 MPa，出現(xiàn)在靠近法蘭中心附近開孔處，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S30408的許用應(yīng)力137 MPa，并且從應(yīng)力云圖橫斷面看應(yīng)力從表面向中心呈逐漸變小趨勢(shì)，證明法蘭所受應(yīng)力并不會(huì)延伸至法蘭內(nèi)部，不會(huì)對(duì)法蘭內(nèi)部造成損傷，所以綜合應(yīng)力、位移量云圖和前面SW6-2011的計(jì)算結(jié)果可以判斷，80 mm厚法蘭完全滿足實(shí)際使用需求，法蘭開孔布局合理。

圖4 法蘭應(yīng)力云圖

圖5 法蘭位移量云圖

4 實(shí)際使用情況

圖6 法蘭實(shí)物圖

目前本文所設(shè)計(jì)大直徑多開孔法蘭已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，使用效果良好，未出現(xiàn)斷裂、壓塌、裂紋等缺陷，因變形量特別小，受儀器限制，未發(fā)現(xiàn)明顯的位移量，這與仿真結(jié)果一致，法蘭實(shí)物見圖6所示。

5 結(jié)論

對(duì)3600 mm大直徑多開孔法蘭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算和有限元仿真分析，得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于大直徑多開孔法蘭的設(shè)計(jì)應(yīng)充分理解標(biāo)準(zhǔn)GB150—2011〈壓力容器〉，并結(jié)合仿真軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算和仿真分析，在經(jīng)濟(jì)條件、總重量等因素允許的情況下，應(yīng)留有足夠的安全系數(shù)。

2)對(duì)于多開孔法蘭，應(yīng)力云圖應(yīng)該關(guān)注開孔處橫斷面的應(yīng)力變化趨勢(shì)，不能只關(guān)注最大應(yīng)力值。

3)本文所計(jì)算法蘭中心附近處開孔較小，所受應(yīng)力也較小，對(duì)于開大孔的法蘭應(yīng)該盡可能避免在中心處開孔。

4)對(duì)于大直徑法蘭開大孔應(yīng)盡可能靠近法蘭邊緣，必要時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。