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法蘭的有限元分析校核

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法蘭的有限元分析校核

螺栓法蘭連接是石油化工設備、容器和管道的連接形式。管道法蘭（簡稱管法蘭）是管道及包括閥門在內(nèi)的各種流體設備相互連接的最基本的零件，同時，又是一種承受壓力的密封元件。鋼制沖壓活套法蘭是一種新型的非標管法蘭，其的異形結(jié)構(gòu)使其具有加工工藝簡單、原材料消耗大大降低等特點，具有極大地推廣使用價值。但由于缺乏相關國家標準，沖壓活套法蘭至今未能全面投入工程應用。
因此，本文針對沖壓活套法蘭由于缺乏可靠性驗證及相關國家標準而使得使用需求得不到滿足的現(xiàn)狀，以及沖壓活套法蘭的相關介紹和可靠性分析極其缺少的問題，首先對沖壓活套法蘭進行了介紹，其次結(jié)合三維制圖軟件以及軟件對其進行了有限元分析及應力分類，然后按照JB 4732中應力強度校核標準對其進行校核，驗證了該種法蘭的強度可靠性，有助于其推廣使用，并為其優(yōu)化設計提供參考。
早在20世紀70年代末，沖壓法蘭在國外已經(jīng)被用在設計壓力1.0 MPa以下，設計溫度低于200℃的壓力容器上，目前普遍被用在染色機上。德國“TC公司”的染色機是使用沖壓法蘭的壓力容器之一。隨后，該法蘭被染色機行業(yè)廣泛采用。世界的印染設備生產(chǎn)企業(yè)—“香港立信工業(yè)有限公司”旗下的“立信染整機械有限公司”的染色機，其管法蘭全部采用沖壓活套法蘭。
如圖所示，一般情況下，沖壓活套法蘭組件由法蘭盤、翻邊短節(jié)、墊片、螺栓、螺母以及彈簧墊圈等組成。與其他活套法蘭的不同在于，沖壓活套法蘭的法蘭盤是由凹陷、凸起以及翻邊等組成的非平板異型結(jié)構(gòu)，形成了沖壓活套法蘭的優(yōu)點。
沖壓法蘭的結(jié)構(gòu)使它具有如下顯著特點：
（1）法蘭盤的異形結(jié)構(gòu)，使得其在保證剛度的前提下，大大減小厚度，從而大幅度降低原材料消耗。以PN1.0MPa、DN50的法蘭為例，標準的平焊環(huán)松套鋼制管法蘭，其法蘭盤的厚度為20 mm，而沖壓活套法蘭的法蘭盤厚度僅為4 mm，其翻邊短節(jié)的翻邊壁厚為3.5 mm，翻邊短節(jié)焊端壁厚僅為2.6 mm。
（2）法蘭盤和翻邊短節(jié)均由板材直接沖壓成形，除了翻邊短節(jié)密封面上的水線以外，沖壓活套法蘭不需要進行機加工，這使得其加工制造成本也得以降低。
（3）由于沖壓活套法蘭中法蘭盤的非平板式結(jié)構(gòu)，使得其無法采用GB 150-1998《鋼制壓力容器》中的非標法蘭計算方法對其進行設計計算，造成了其在國內(nèi)的使用推廣受到限制的問題。
以DN80的沖壓活套法蘭為例進行有限元分析，其法蘭盤的尺寸如圖。翻邊短節(jié)尺寸見圖。
法蘭盤及翻邊短節(jié)材料為1Cr18Ni9Ti，螺栓及螺母材料為40MnB，所使用的各材料屬性如表。
以DN80為例，設計壓力為PN1.0 MPa，設計溫度為150℃。為簡化計算，提高計算效率，根據(jù)法蘭接頭系統(tǒng)的對稱性，采用工作接頭的1/8扇形單元作為，如圖，模型包括法蘭盤、翻遍短節(jié)、螺栓和螺母等四個部分，采用接觸副模擬墊片。螺栓與螺母之間采用不分離接觸，以防止螺栓滑動。螺栓與法蘭盤，法蘭盤與翻邊短節(jié)及兩翻邊短節(jié)之間均采用無摩擦接觸。

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