[發明專利]一種基于有限元分析的架空管道螺栓預緊力設計方法

有效

• 申請號: 201911387939.7
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN110991118B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 蔣鵬;鄧雅飛;鄭松;許歡;孔亞廣;張帆;侯平智
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F113/14
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

1.一種基于有限元分析的架空管道螺栓預緊力設計方法,其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1:建立有限元模型

標準管道系統包括管道、法蘭、螺栓、螺母和墊片；根據HG/T20592～20635―2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》，選用管道為鋼管，法蘭類型為帶頸平焊鋼制管法蘭，法蘭規格是PN2.5/DN150，密封面形式為突面，墊片類型為內含石墨的金屬纏繞墊片，螺柱類型為等長雙頭螺柱，螺柱的尺寸根據標準GB901―88確定，螺母尺寸根據GB/T6170―2016確定；根據法蘭幾何結構圖和尺寸先建立三維模型；

步驟2:螺栓預緊力范圍的計算

(1)螺栓強度；

擰緊后螺栓連接件預緊應力不能大于其材料屈服點的80％；

(2)墊片壓縮強度；

在任何工況下，墊片應力都不允許超過墊片壓縮強度；

(3)墊片預緊比壓；

預緊狀態下，最小螺栓載荷W_a應不小于壓緊墊片所需要的最小壓緊載荷F_a；最小螺栓載荷計算公式為：

W_a＝3.14D_Gby

式中：D_G—墊片壓緊力作用中心圓直徑；b—墊片有效密封寬度；y—墊片預緊比壓；

每根螺栓的最小預緊力F計算公式為：

F＝_a/n

式中：n—法蘭連接中螺栓連接個數；

(4)墊片系數；

在操作工況下，為達到密封要求，墊片接觸應力應滿足：

σ≥mp

式中：σ—墊片接觸應力；m—墊片系數；p—介質壓力，

綜合考慮螺栓強度、墊片壓縮強度和墊片預緊比壓，可得到螺栓預緊力范圍；

步驟3:螺栓預緊力計算

在管道沒有受到自重和其他因素的影響下，通過施加均勻的螺栓預緊力，獲得均勻的墊片應力分布；此時獲得的外半徑的墊片應力值作為后面墊片迭代的目標應力值；

對螺栓預緊力進行修正，以補償外部失調載荷，此時墊片受力分布沒有恢復均勻；如果首次預緊力的調節在步驟2計算的范圍外，預緊力計算偏大按預緊力范圍的最大值設置；如果偏小，則按預緊力范圍的最小值設置；

確定每個螺栓中的螺栓預緊力初始變化的公式如下：

其中i為螺栓序號，n為螺栓的個數，M為彎矩，F_A為軸向載荷，R為半徑，θ為螺栓的角度位置，F_m為修正剛度因子；

將受到自重影響的連接處的墊片應力作為初始第一組墊片數據，經過上述得到的螺栓預緊力變化和重新得到有限元分析后的墊片應力作為第二組數據，迭代過程就通過下面公式開始；

通過不斷的反饋墊片應力調節螺栓預緊力；經過一系列的迭代過程后，得到一組更接近目標墊片應力值所對應的螺栓預緊力；其中j為迭代的次數，Gs為墊片的應力，P為螺栓預緊力，Gs_target為墊片目標應力值；迭代按上述公式進行，直到達到預期誤差范圍允許。

2.根據權利要求1所述的一種基于有限元分析的架空管道螺栓預緊力設計方法,其特征在于，在每次的迭代過程中，都需要確定所調節的螺栓預緊力都在步驟2所計算的范圍內。