组装式真空罐矩形法兰的设计与有限元分析

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第 10期2013年 10月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 7组装式真空罐矩形法兰的设计与有限元分析曹晋民 ，由美雁(1．中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116；2冻北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819)摘 要：针对大型真空罐体积庞大，给起吊、运输带来很大不便，运输成本高的问题，提出将真空罐罐体沿纵向分割为3段 ，每段之间用矩形法兰连接。对矩形法兰进行了传统方法的设计与有限元分析。矩形法兰的设计影响因素较多，受力情况复杂，先用当量圆法对初步设计的矩形法兰的强度进行计算，然后利用SolidWorks建立其三维模型，并导入ANSYS中，对矩形法兰进行静态分析得其变形云图和应力云图，根据分析结果看其是否满足强度和刚度要求并进一步优化，保证设计的精确性和可靠性。

关键词：真空罐；矩形法兰；有限元；设计中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0007—03Design and Finite Element Analysis of Assembled RectangularFlange for Vacuum TankcA0 Jin—rain ．Y0U Mei—yan(1．Mechanical and Electrical Engineering Colege，China University of Mining，Jiangsu Xuzhou 221116，China；2．School ofMechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Liaoning Shenyang 1 10819，China)Abstract：Due of the large vacuum tank 1301UO'I~，inconvenience of lifting，transportation and the high cost of transportationproblems，it proposes to longitudinally split the vacuum tank body into 3 sections，and each section is connected by arectangularflange．The rectangularflange is designed in traditional way and analyzed infinite element method．Because ofthecomplexity offorce conditions and manyfactors influenced during the design of rectangularflange，fint~it calculates thestrengthofthepreliminarydes~,nofthe rectangularflange withthe equivalent circle method，andthenIi~es the SolidWorkstobuild the three-dimensional model and imports it into ANSYS．Statically it analyzes the rectangular flange and gaindeformation and stress nephogram．According to the results ofthe analysis．sees whether Van meet the requirements ofstrength and rigdity andmakesfurther optimizationto ensure the accuracyand reliabilityofthe des／g．.

Key W ords：Vacuum Tank；Rectangular Flange；Finite Element；Design1引言对大型方形卧式真空罐的罐体连接法兰进行了研究。真空罐外壁尺寸为长 15m，宽 5m，高 6．5m，壁厚为 0．015m，在真空罐的外壁设有间隔一定距离的加强筋 ，横向加强筋采用工字钢形式，纵向加强筋采用方钢形式。真空罐用于干燥“双百万”变压器(“双百万”变压器，即工作电压为(1．0xl0 )V，变电容量为(1．0×10")VA，为国内最大的变压器)。真空罐内的物理条件为极限真空度 lOOPa，工作温度 130~On。罐内设有加热系统来维持罐内干燥温度，罐外设有真空系统来维持罐内所需工作真空度。由于该真空罐体积庞大，给起吊、运输带来很大不便，甚至不易运输，而且运输成本非常高。为了便于运输，将真空罐罐体沿纵向分割为3段，每段之间用矩形法兰连接，在法兰连接处将加强筋割断，如图 1所示。该矩形法兰的局部图，如图2所示。矩形法兰焊接在每一 段罐体上，需要检查焊缝的气密性罔。矩形法兰的压紧面采用榫槽压紧面型式，槽内垫片采用石墨复合垫片。这样在保证真空罐密封性不受影响的前提下，使真空罐结构灵活，便于运输。其中矩形法兰的设计较复杂，没有特定的准则，可先采用当量圆法计算法和华脱尔斯法进行计强度计算，然后利用 ANSYS软件对法兰进行有限元分析和优化设计 。

2基于传统方法的矩形法兰的设计2．1设计条件2．1．1设计参数工作压力外压p=0．1MPa，工作温度 ~130~C，法兰材质为 00C-r17Ni12Mo2，螺栓材质30CrMoA。常温下法兰的许用应力 [ ]，：137MPa，设计温度下的许用应力[o-]r=137MPa，常温下螺栓的许用应力[ ]6=167MPa，设计温度下的许用应力[ ] =147MPa?t t2为螺栓间距 ，初设螺栓间距 tr=h=100mm，螺栓个数 n=2x(3700／100+5200／100)=238。

2．】．2法兰结构参数法兰结构尺寸，如图3所示。图中：A。，B -法兰外侧尺寸，来稿 日期：2012一l2—15作者简介：曹晋民，(1989一)，男，山西人，硕士，主要研究方向：机械设计及理论；由美雁，(1976～)，女，内蒙古人，讲师，主要研究方向：过程设备强度分析、水处理研究8 曹晋民等：组装式真空罐矩形法兰的设计与有限元分析 第 l0期A o=6780mm，Bo=5280mm；A、J 螺栓巾心线尺寸，A=6700mm， =5200mm；A I，B广法兰内侧尺寸，Aj=6500mm，Bl=5000mm。法兰环厚度 S=30mm，锥颈厚度 Sl=2S=60mm，法兰厚度h=50mm。

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图 1真空罐与法兰连接图Fig．1 Connection of Vacuum Tank and Flange图2矩形法兰局部图Fig．2 Local Diagram of Rectangular Flange图3法兰结构示意罔Fig．3 Schematic Diagram of the Flange Structure2_2密封垫片的选用2．2．1密封面的选择选用榫槽压紧面。它是由一个榫而和一个槽面配合组成，垫片放在槽内。由于垫片较窄，又受槽的阻挡不能从两侧挤 ，且少受介质的冲刷和腐蚀，安装时又便于对中．垫片受力均匀 。

2．2．2垫片类型及结构参数垫片选用石墨复合垫片。垫片基本密封宽度 bo=10mm，垫片有效密封宽度be=8mm。垫片系数 m=3．0。垫片压紧力作用点的长轴长度 A =6630mm，垫片压紧力作用点 的短轴长度 日 =5130mm。 当 量 圆法 兰 垫 片 平 均 直 径 D ．=2A ／(，4 + )=5784．3mm。

查《钢制化工容器强度计算规定》 中表 12-1得，垫片常数k．=360， 2=-40，查表 12-2，12—3得，螺栓温度校正系数k3_-．0．9I，当量系数 k4-0．87。系数 ， =723。预压紧时垫片系数 m， ，ap=4．53；操作密封时的垫片系数m2=1“出。

2．3当量圆法计算法兰强度2．3．1法 兰力矩作用于法兰内截面上流体压力引起的轴向力：=pAlBl=3250000N (1)法兰密封面与法兰内侧间范嗣内的压力引起的轴向力：~,-p(A B -AIB2)=1515190N (2)力臂：L，
= (A-A )／2=35mm (3)Ld=『A-(A。+s，)】／2=35mm (4)L =(A-A1)／4=32．5ram (5)￡ =(A-A )／2=25mm (6)预紧时法兰螺栓载荷：W =pA B
g
ml=15407390．7N (7)操作时法兰螺栓载荷：W =pA B
e
m2=3605261．4N (8)预紧时法兰力矩：M=(／l j[ ] ／2=5392583N·mm (9)操作时法兰力矩：M
，
= F lLd+FtL +W L=244847824N‘mm 101法兰计算力矩：=iliax( ，n [r， ]r)=53925853N．fnm当量凤法兰内直径 D， =5652．2ram，当量圆法兰外直径 D =5936．7mm，Ⅱ一I截面当量厕径，J = 4(A一2L j=5785．5mm。查《钢制化‘ 容器强度汁算规定》中表 12-4得,f~-o．6。

I—I截面单位长度弯矩：M
r
= ／【1T(D +5，)l=l8039．1N·mm／mm (11)Ⅱ一Ⅱ截面预紧时单位长度弯矩：M h=?L ／("rD )=21203．1N·mm／mm (12)Ⅱ一Ⅱ截面操作时单位长度弯矩：M = ，J ／("rD“)=4961．4N‘lnm／mm (13)2-3．2法兰应力I—I截面应力：O"
r
=6M
r／S~+pD ／4SI=32．4MPa<[ ]rt (I4)预紧时 Ⅱ一Ⅱ截面应力：=6Mh／h‘=50
．9MPa[ (15)操作时 Ⅱ一Ⅱ截面应力：：6Mb／h‘=l 1
．9MPa[ ] (16)法兰强度满足条件，法兰合格。

3基于FEA的矩形法兰的强度分析大型非标准法兰的设计一般影响因素多，受力情况复杂，根据传统的计算方法很难保证其强度 、稳定性的要求，因此用有限元分析对其结构进行校核优化是很有必要的。

3．1有限元建模矩形法兰主要是由钢板焊接而成，焊缝缺陷和焊接变形会造成法兰的强度不足，但该缺陷可以通过优化焊接工艺来得到提高。实验证明现在的焊接接口不再是引起强度不足的主要原因。

此，本次实体建模根据设计图纸，利用 SolidWorks软件建立三维模型时，对焊缝进行简化，所有焊接都按固结处理17-ol。法兰材料No．100ct．20l3 机械 设 计 与制 造 9选用 00Crl7Ni12Mo2．i亥材料的特 参数，『』fj表 1所，J÷表 1法兰材料特性参数Tab．1 Material Parameters andProperties of the Flange将建好的模型导人刨 ANsYS软件qI、法 的有限元模 可以做成实体单元模型，采用n动网格划分，网格 元』 寸大小为40ram，划分网格后该有限元模型f1J行 83579个节点和 41801个单元。

3-2静应力分析在 ANSYS软件中对有限元模J 添力I约束，载荷 矩形法兰的约束为内部四个表面吲定．找荷为法 颁上的螺栓预紧乃，通过上文计算可得到，总的螺栓预紧力为15407390．7N、添加约束载荷后运行然后得到矩形法兰的分析结果 、分析结果．如表 2所示。法兰应力云{冬I及变彤云 ．如【划4、 5所_，j÷表 2矩形法兰应力分析结果Tab．2 Stress Analysis Results ofthe Rectangular Flange图4矩形法兰应4J6~"布 图Fig．4 The Stress Distribution Nephogramof Rectangular Flange图5矩形法兰变形分布云图Fig．5 The Strain Distrihution Nephng~anlof Rectangular Flange3．3优化设计ANSYS分析的结果表明此矩形法 的最大静应力发生侄矩形法兰的四个角J-，螺栓~LV,J附近；最大变形发生在矩形法兰外侧的四个角上。为了避免应力集中对零件造成的破坏，可以将矩形法兰的外侧与内侧四个角做成圆角．便 r分散应力4分析比较综上所述，在设计矩形法兰时，利用传统方法和 FEA法得到的结论是一致的。但是传统方法设计矩形法兰时，无法判断最大应力的具体位置．无法考虑关键部位的应力集中情况，存在一定的局限性 ，而且传统方法计算步骤冗余．容易出错。利用 FEA法可以解决火键部位应力集中的难题，节约材料 ，而且步骤相对简单， 此利用 FEA法设计矩形法兰有很大优势。

5结束语在设计矩形法兰时，利用传统方法和 FEA法得到的及结论是一致的，但是 FEA法可以更加使设计结果更加精确。

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