基于ANSYS Workbench螺栓法蘭連接結構有限元分析

史天翔 辜嘉誠 史江 辜國玲

摘 ?要：現以油氣管路連接法蘭的氣密性檢驗為分析背景，利用UG三維建模軟件建立法蘭和螺栓連接的三維實體模型。使螺栓和法蘭連接的接觸問題在ANSYS Workbench中得到實現，從而完成法蘭在工況載荷作用下的強度分析問題。在計算完成后，分析了法蘭的密封性能，這對在ANSYS Workbench中模擬螺栓和法蘭連接方面提供了參考。

關鍵詞：氣密性;螺栓和法蘭連接;ANSYS Workbench;強度分析;密封性能

中圖分類號：TH122 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）19-0111-02

Abstract： Based on the air tightness test of the connecting flange of oil and gas pipeline， the 3D solid model of flange and bolt connection was established by UG 3D modeling software.The contact problem of bolt and flange connection is realized in ANSYS Workbench， so as to complete the strength analysis of flange under working load.After the calculation， the sealing performance of the flange is analyzed， which provides a reference for simulating bolt and flange connection in ANSYS Workbench.

Keywords： air tightness; bolt and flange connection; ANSYS Workbench; strength analysis; sealing performance

引言

螺栓法蘭連接結構是重工業中必不可少的重要部件，被廣泛應用于石油化工、電力設備等工程機械中。本文采用ANSYS Workbench有限元分析軟件模擬法蘭及其與螺栓、墊片三者之間的相互作用，并最終觀察接觸密封區域的分布情況。

1 有限元模型的建立

某螺栓法蘭連接部件是由一對長頸對焊法蘭、密封平墊片及12根螺栓組成。考慮到結構的對稱性，選取整體結構的1/12建立循環對稱三維法蘭模型。法蘭與螺栓及剛性墊片全部采用結構鋼材質，其彈性模量E=2.0E11Pa，泊松比μ=0.3，屈服強度250Mpa。

設定螺栓和螺母與法蘭外表面連接為綁定接觸連接，為了模擬實際工作情況，墊片與法蘭接觸的上、下表面均采用摩擦接觸類型，摩擦系數設定為0.15。

現對本套分析模型采取整體自由網格劃分方式，網格劃分完成后，對1/12的三維法蘭模型進行圓周循環對稱擴展顯示，其有限元模型如圖1所示。

對螺栓法蘭連接部件有限元模型的兩個剖分面上施加對稱位移邊界條件，對與機組相連接側法蘭的端部采用位移約束。在螺栓軸向施加5000N的預緊載荷;對法蘭的內表面施加20Mpa的管道內部壓力，同時在與該法蘭接觸的另一側法蘭接管處的上端部施加1000N的力，用來模擬整套管路連接系統對該法蘭的管系載荷作用力，如圖2所示。

2 有限元計算結果與分析

根據材料力學第四強度理論，查看受載后的法蘭應力計算結果。圖3為法蘭僅承受螺栓預緊載荷時的應力情況，最大應力約為：70Mpa;圖4為法蘭既承受螺栓預緊載荷，又承受法蘭內部壓力和管系載荷作用力共同載荷下的應力情況，最大應力約為：97Mpa。

查看墊片的密封性能，如圖5所示，為墊片既承受螺栓預緊力又承受工況載荷時的密封狀態。計算結果表明：墊片外圈與法蘭最大分離間隙為0mm，因此墊片外圈處于完全密封狀態;墊片內圈與法蘭最大分離間隙約為0.019mm，因此墊片內圈處于近場接觸狀態，計算結果如圖5所示。綜合情況來看，螺栓法蘭連接部件在承受所有工況載荷時，密封效果處于良好狀態。

3 結束語

本文利用有限元軟件ANYSYS Workbench對法蘭在預緊時及操作工況下進行了分析，通過計算結果可以看到，法蘭盤與錐段連接的部位是法蘭的危險部位，在法蘭的設計過程中應給予足夠的重視;密封墊片在承受載荷工況下，最外側邊緣產生較大的表面接觸應力，因此在選擇鋼制墊片的材質時，應選擇屈服強度較高的材質作為制作墊片的母材。本次有限元分析的結果為法蘭的選用與裝配提供了參考，從而提高了法蘭在使用時的可靠性。

參考文獻：

[1]高耀東，宿福存，李震，等.ANSYS Workbench機械工程應用精華30例[M].北京：電子工業出版社，2013.

[2]徐超，余紹蓉，鄭曉亞，等.機械螺栓法蘭連接的有限元力學模型比較研究[J].機械設計與制造，2009，6（06）：37-39.