基于ANSYS Workbench螺栓法兰连接结构有限元分析

史天翔 辜嘉诚 史江 辜国玲

摘  要：现以油气管路连接法兰的气密性检验为分析背景，利用UG三维建模软件建立法兰和螺栓连接的三维实体模型。使螺栓和法兰连接的接触问题在ANSYS Workbench中得到实现，从而完成法兰在工况载荷作用下的强度分析问题。在计算完成后，分析了法兰的密封性能，这对在ANSYS Workbench中模拟螺栓和法兰连接方面提供了参考。

关键词：气密性;螺栓和法兰连接;ANSYS Workbench;强度分析;密封性能

中图分类号：TH122        文献标志码：A        文章编号：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

螺栓法兰连接结构是重工业中必不可少的重要部件，被广泛应用于石油化工、电力设备等工程机械中。本文采用ANSYS Workbench有限元分析软件模拟法兰及其与螺栓、垫片三者之间的相互作用，并最终观察接触密封区域的分布情况。

1 有限元模型的建立

某螺栓法兰连接部件是由一对长颈对焊法兰、密封平垫片及12根螺栓组成。考虑到结构的对称性，选取整体结构的1/12建立循环对称三维法兰模型。法兰与螺栓及刚性垫片全部采用结构钢材质，其弹性模量E=2.0E11Pa，泊松比μ=0.3，屈服强度250Mpa。

设定螺栓和螺母与法兰外表面连接为绑定接触连接，为了模拟实际工作情况，垫片与法兰接触的上、下表面均采用摩擦接触类型，摩擦系数设定为0.15。

现对本套分析模型采取整體自由网格划分方式，网格划分完成后，对1/12的三维法兰模型进行圆周循环对称扩展显示，其有限元模型如图1所示。

对螺栓法兰连接部件有限元模型的两个剖分面上施加对称位移边界条件，对与机组相连接侧法兰的端部采用位移约束。在螺栓轴向施加5000N的预紧载荷;对法兰的内表面施加20Mpa的管道内部压力，同时在与该法兰接触的另一侧法兰接管处的上端部施加1000N的力，用来模拟整套管路连接系统对该法兰的管系载荷作用力，如图2所示。

2 有限元计算结果与分析

根据材料力学第四强度理论，查看受载后的法兰应力计算结果。图3为法兰仅承受螺栓预紧载荷时的应力情况，最大应力约为：70Mpa;图4为法兰既承受螺栓预紧载荷，又承受法兰内部压力和管系载荷作用力共同载荷下的应力情况，最大应力约为：97Mpa。

查看垫片的密封性能，如图5所示，为垫片既承受螺栓预紧力又承受工况载荷时的密封状态。计算结果表明：垫片外圈与法兰最大分离间隙为0mm，因此垫片外圈处于完全密封状态;垫片内圈与法兰最大分离间隙约为0.019mm，因此垫片内圈处于近场接触状态，计算结果如图5所示。综合情况来看，螺栓法兰连接部件在承受所有工况载荷时，密封效果处于良好状态。

3 结束语

本文利用有限元软件ANYSYS Workbench对法兰在预紧时及操作工况下进行了分析，通过计算结果可以看到，法兰盘与锥段连接的部位是法兰的危险部位，在法兰的设计过程中应给予足够的重视;密封垫片在承受载荷工况下，最外侧边缘产生较大的表面接触应力，因此在选择钢制垫片的材质时，应选择屈服强度较高的材质作为制作垫片的母材。本次有限元分析的结果为法兰的选用与装配提供了参考，从而提高了法兰在使用时的可靠性。

参考文献：

[1]高耀东，宿福存，李震，等.ANSYS Workbench机械工程应用精华30例[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]徐超，余绍蓉，郑晓亚，等.机械螺栓法兰连接的有限元力学模型比较研究[J].机械设计与制造，2009，6（06）：37-39.