大直径多开孔法兰的结构强度计算与有限元分析

妙 丛，张 震，安 刚(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

0 引言

在某氢液化装置系统中，需要设计一个带有大直径多开孔的立式冷箱法兰，法兰既要承受-0.1 MPa的因真空产生的大气压力，又要承受法兰自重和悬挂于法兰下的设备重量(大约10吨左右)，根据冷箱内设备的布局已经初步敲定了法兰的开孔位置和个数以及法兰直径3600 mm，现需要通过计算和有限元分析得出法兰的最优厚度，并验证法兰开孔布局是否合理以及法兰的结构强度是否满足实际使用需求。

从图1可以看出，法兰开孔非常多，最大孔直径为760 mm，本文拟通过SW6-2011软件初步计算出法兰的最小厚度，再通过Ansys14.5有限元分析软件分析法兰受力情况，验证得出的最优厚度和开孔布局是否满足实际使用需求，如若不满足要求则增加法兰厚度或更改开孔布局再次验证。

图1 大直径多开孔法兰简图

有限元法在分析结构强度方面具有独特的优越性，它能够更全面、更直观地反映应力分布规律，参数化的建模方式使批量分析和结构优化变得更加简单[1]。目前，该方法已在大开孔结构的分析计算中得到了大量应用[2-5]。

1 计算输入

法兰选用S30408材质，该材料在设计温度下的许用应力[σ]t=137 MPa，该材料在试验温度下的许用应力[σ]=137 MPa，钢板厚度负偏差C1=0，钢板腐蚀裕量C2=0，液柱静压力忽略不计，所以计算压力pc=-0.1 MPa。

法兰其他强度计算输入见表1，选用的法兰结构形式见图2，其他不再赘述。

表1 法兰强度计算输入

图2 法兰的结构形式简图

2 计算结果

设计温度25 ℃下封头的计算厚度，按式：

式中：δp—封头计算厚度，mm；K—平盖系数，此处为取预紧时值0.3；pc—计算压力，MPa；φ—焊接接头系数。

通过SW6-2011进行计算后得出法兰的最小厚度也为70.03 mm，见表2。

表2 法兰厚度计算结果

3 仿真验证

结合上述计算结果，使用ANSYS14.5对法兰进行应力分析，综合考虑坯料厚度、安全系数、设备总重以及经济等因素，厚度预设为80 mm。

3.1 网格划分

首先使用5级智能网格划分方式自动划分网格，使用PLANE182类型，共生成13260个单元，如图3所示。

图3 法兰网格划分

3.2 施加载荷

对法兰施加以下载荷和约束：

1)施加向下的-0.1 MPa的大气压力载荷；

2)法兰本身自重载荷，65000 N。

3)由于冷箱是立式悬挂式结构，冷箱内所有的设备重量全都施加到法兰上，这里考虑极端假设，即所有的设备重量都集中在法兰中心，载荷大小为150000 N。

4)假设筒体为刚性，对法兰形成向上的固定约束。

3.3 解析计算与结果

从图5位移量云图可以看出法兰最大变形量出现在法兰中心处，为7.9 mm，法兰边缘位移量仅为0.4 mm，此变形量对于如此大直径法兰而言可以忽略不计。从图4应力云图可以看出，最大应力为15.3 MPa，出现在靠近法兰中心附近开孔处，其值远远小于S30408的许用应力137 MPa，并且从应力云图横断面看应力从表面向中心呈逐渐变小趋势，证明法兰所受应力并不会延伸至法兰内部，不会对法兰内部造成损伤，所以综合应力、位移量云图和前面SW6-2011的计算结果可以判断，80 mm厚法兰完全满足实际使用需求，法兰开孔布局合理。

图4 法兰应力云图

图5 法兰位移量云图

4 实际使用情况

图6 法兰实物图

目前本文所设计大直径多开孔法兰已经应用于实际生产，使用效果良好，未出现断裂、压塌、裂纹等缺陷，因变形量特别小，受仪器限制，未发现明显的位移量，这与仿真结果一致，法兰实物见图6所示。

5 结论

对3600 mm大直径多开孔法兰进行了结构强度的计算和有限元仿真分析，得到如下结论：

1)对于大直径多开孔法兰的设计应充分理解标准GB150—2011〈压力容器〉，并结合仿真软件进行结构强度的计算和仿真分析，在经济条件、总重量等因素允许的情况下，应留有足够的安全系数。

2)对于多开孔法兰，应力云图应该关注开孔处横断面的应力变化趋势，不能只关注最大应力值。

3)本文所计算法兰中心附近处开孔较小，所受应力也较小，对于开大孔的法兰应该尽可能避免在中心处开孔。

4)对于大直径法兰开大孔应尽可能靠近法兰边缘，必要时需要进行补强。