法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)的ANSYS 疲勞分析

張宸菥，詹宇聲，譚 波

（武漢船用動力機械裝置研究所，湖北武漢 200240）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，機械零件破壞的50%～90%為疲勞破壞，特別是隨著機械零件向大型化、復(fù)雜化和高溫、高速使用環(huán)境的方向發(fā)展，隨機因素增加，疲勞破壞更是層出不窮，因此關(guān)于疲勞破壞問題的研究得到了極大關(guān)注。開展機械產(chǎn)品的疲勞失效分析，研究預(yù)防疲勞失效的各種手段和措施，對于正確進(jìn)行機械零部件的設(shè)計、制造，提高機械產(chǎn)品質(zhì)量，具有十分重要的意義[1]。

依照實際工作條件，按JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB 150—2011《固定壓力容器標(biāo)準(zhǔn)》和GB 151—1999《管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)》[2-4]，通過ANSYS 軟件分析單管程浮頭式換熱器的管板法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布，得到應(yīng)力集中較大的區(qū)域，然后對此區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力和疲勞強度評定，確保常規(guī)設(shè)計下的法蘭連接結(jié)構(gòu)能夠正常使用，并保證其安全性和可靠性。

1 管板法蘭連接結(jié)構(gòu)ANSYS 應(yīng)力分析

1.1 管板法蘭連接結(jié)構(gòu)建模

此次分析的管板法蘭有48 個螺栓，由于法蘭接頭是對稱結(jié)構(gòu)，可以利用其對稱性，以整個法蘭結(jié)構(gòu)中的1/48 對稱結(jié)構(gòu)來建立有限元模型。為消除筒體邊緣處軸向應(yīng)力分布對筒體側(cè)法蘭處應(yīng)力分布的影響，根據(jù)圣維南原理，只需要考慮長度L=，即，取整為L=230 mm。

其中，R 是與法蘭相連的筒體半徑，t 是該筒體厚度的一半。

此外，接管為管側(cè)放空口，對法蘭連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布無影響，在建模時略去；由于換熱管數(shù)量龐大，鑒于有限的硬件計算能力，不予分析管程接管和管板的應(yīng)力分布，換熱管和管程接管也不進(jìn)行建模。在有限元分析過程中，管板法蘭連接結(jié)構(gòu)的簡化有限元模型如圖1 所示。

圖1 管板法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型

模型的單元網(wǎng)格劃分采用Solid186（20 節(jié)點）實體單元，規(guī)則部位用六面體網(wǎng)格劃分，不規(guī)則部位采用自由劃分方式，以保證網(wǎng)格質(zhì)量。采用不同網(wǎng)格數(shù)量的單元進(jìn)行計算，并比較結(jié)果，保證結(jié)果的收斂性。

管板法蘭連接結(jié)構(gòu)強度校核及疲勞壽命校核的工況見表1。

表1 管板法蘭連接結(jié)構(gòu)強度校核及疲勞壽命校核工況

1.2 管板法蘭連接結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果

在設(shè)計工況下，法蘭連接結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力強度分布云圖如圖2 所示。

2 管板法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞強度的應(yīng)力評定

2.1 管板法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力評定

進(jìn)行應(yīng)力分析后，需要根據(jù)最終應(yīng)力計算結(jié)果來進(jìn)行強度評定，計算結(jié)果的評定分為兩個部分：第一部分“應(yīng)力評定”是對除由（PL+Pb+Q+F）得到的峰值應(yīng)力強度SV外的各類應(yīng)力，按標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行評定；第二部分主要根據(jù)當(dāng)前構(gòu)件的各個部位上出現(xiàn)的最大峰值應(yīng)力強度SV進(jìn)行疲勞評定，得出管板法蘭連接結(jié)構(gòu)能夠承受多少次壓力波動循環(huán)仍然滿足使用要求。螺栓螺母組件及管板法蘭組件的應(yīng)力評定結(jié)果見表2。

注：設(shè)計應(yīng)力強度數(shù)據(jù)來源：JB 4732—1995。鋼板，Sm=180 MPa，鍛件，Sm=167 MPa，k=1；

圖2 管板法蘭連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計工況下的應(yīng)力強度分布

表2 管板法蘭組件在操作工況下的應(yīng)力評定

2.2 管板法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞強度評定

圖3 是管板法蘭組件在操作工況下的應(yīng)力強度分布云圖。

圖3 管板法蘭組件在操作工況下的應(yīng)力強度分布

材料的S-N 疲勞設(shè)計曲線按照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》圖C-1 及表C-1 選取，E=2.07×105MPa。

根據(jù)JB 4732—95 表C-1 的數(shù)據(jù)，該應(yīng)力幅值低于低周疲勞應(yīng)力的下限（86.2 MPa），即疲勞循環(huán)次數(shù)大于1×106。

因此，在操作工況下，管板法蘭組件能夠滿足疲勞壽命的要求。

綜上所述，管板法蘭連接結(jié)構(gòu)在疲勞循環(huán)次數(shù)大于1×106時，而不發(fā)生疲勞失效，滿足疲勞壽命的要求。

3 結(jié)論

在設(shè)計壓力下，管板法蘭連接結(jié)構(gòu)的靜力強度校核合格，滿足JB 4732—1995 要求。

在管程操作壓力波動下，管板法蘭連接結(jié)構(gòu)的疲勞循環(huán)次數(shù)大于1×106，滿足JB 4732—1995 對結(jié)構(gòu)疲勞強度的要求。