大直徑多開孔法蘭的結構強度計算與有限元分析

妙 叢，張 震，安 剛(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

在某氫液化裝置系統中，需要設計一個帶有大直徑多開孔的立式冷箱法蘭，法蘭既要承受-0.1 MPa的因真空產生的大氣壓力，又要承受法蘭自重和懸掛于法蘭下的設備重量(大約10噸左右)，根據冷箱內設備的布局已經初步敲定了法蘭的開孔位置和個數以及法蘭直徑3600 mm，現需要通過計算和有限元分析得出法蘭的最優厚度，并驗證法蘭開孔布局是否合理以及法蘭的結構強度是否滿足實際使用需求。

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，驗證得出的最優厚度和開孔布局是否滿足實際使用需求，如若不滿足要求則增加法蘭厚度或更改開孔布局再次驗證。

圖1 大直徑多開孔法蘭簡圖

有限元法在分析結構強度方面具有獨特的優越性，它能夠更全面、更直觀地反映應力分布規律，參數化的建模方式使批量分析和結構優化變得更加簡單[1]。目前，該方法已在大開孔結構的分析計算中得到了大量應用[2-5]。

1 計算輸入

法蘭選用S30408材質，該材料在設計溫度下的許用應力[σ]t=137 MPa，該材料在試驗溫度下的許用應力[σ]=137 MPa，鋼板厚度負偏差C1=0，鋼板腐蝕裕量C2=0，液柱靜壓力忽略不計，所以計算壓力pc=-0.1 MPa。

法蘭其他強度計算輸入見表1，選用的法蘭結構形式見圖2，其他不再贅述。

表1 法蘭強度計算輸入

圖2 法蘭的結構形式簡圖

2 計算結果

設計溫度25 ℃下封頭的計算厚度，按式：

式中：δp—封頭計算厚度，mm；K—平蓋系數，此處為取預緊時值0.3；pc—計算壓力，MPa；φ—焊接接頭系數。

通過SW6-2011進行計算后得出法蘭的最小厚度也為70.03 mm，見表2。

表2 法蘭厚度計算結果

3 仿真驗證

結合上述計算結果，使用ANSYS14.5對法蘭進行應力分析，綜合考慮坯料厚度、安全系數、設備總重以及經濟等因素，厚度預設為80 mm。

3.1 網格劃分

首先使用5級智能網格劃分方式自動劃分網格，使用PLANE182類型，共生成13260個單元，如圖3所示。

圖3 法蘭網格劃分

3.2 施加載荷

對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構，冷箱內所有的設備重量全都施加到法蘭上，這里考慮極端假設，即所有的設備重量都集中在法蘭中心，載荷大小為150000 N。

4)假設筒體為剛性，對法蘭形成向上的固定約束。

3.3 解析計算與結果

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

圖4 法蘭應力云圖

圖5 法蘭位移量云圖

4 實際使用情況

圖6 法蘭實物圖

目前本文所設計大直徑多開孔法蘭已經應用于實際生產，使用效果良好，未出現斷裂、壓塌、裂紋等缺陷，因變形量特別小，受儀器限制，未發現明顯的位移量，這與仿真結果一致，法蘭實物見圖6所示。

5 結論

對3600 mm大直徑多開孔法蘭進行了結構強度的計算和有限元仿真分析，得到如下結論：

1)對于大直徑多開孔法蘭的設計應充分理解標準GB150—2011〈壓力容器〉，并結合仿真軟件進行結構強度的計算和仿真分析，在經濟條件、總重量等因素允許的情況下，應留有足夠的安全系數。

2)對于多開孔法蘭，應力云圖應該關注開孔處橫斷面的應力變化趨勢，不能只關注最大應力值。

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

4)對于大直徑法蘭開大孔應盡可能靠近法蘭邊緣，必要時需要進行補強。