法兰的有限元分析校核

      螺栓法兰连接是石油化工设备、容器和管道的连接形式。管道法兰（简称管法兰）是管道及包括阀门在内的各种流体设备相互连接的最基本的零件，同时，又是一种承受压力的密封元件。钢制冲压活套法兰是一种新型的非标管法兰，其的异形结构使其具有加工工艺简单、原材料消耗大大降低等特点，具有极大地推广使用价值。但由于缺乏相关国家标准，冲压活套法兰至今未能全面投入工程应用。
      因此，本文针对冲压活套法兰由于缺乏可靠性验证及相关国家标准而使得使用需求得不到满足的现状，以及冲压活套法兰的相关介绍和可靠性分析极其缺少的问题，首先对冲压活套法兰进行了介绍，其次结合三维制图软件以及软件对其进行了有限元分析及应力分类，然后按照JB 4732中应力强度校核标准对其进行校核，验证了该种法兰的强度可靠性，有助于其推广使用，并为其优化设计提供参考。
      早在20世纪70年代末，冲压法兰在国外已经被用在设计压力1.0 MPa以下，设计温度低于200℃的压力容器上，目前普遍被用在染色机上。德国“TC公司”的染色机是使用冲压法兰的压力容器之一。随后，该法兰被染色机行业广泛采用。世界的印染设备生产企业—“香港立信工业有限公司”旗下的“立信染整机械有限公司”的染色机，其管法兰全部采用冲压活套法兰。
      如图所示，一般情况下，冲压活套法兰组件由法兰盘、翻边短节、垫片、螺栓、螺母以及弹簧垫圈等组成。与其他活套法兰的不同在于，冲压活套法兰的法兰盘是由凹陷、凸起以及翻边等组成的非平板异型结构，形成了冲压活套法兰的优点。
冲压法兰的结构使它具有如下显著特点：
      （1）法兰盘的异形结构，使得其在保证刚度的前提下，大大减小厚度，从而大幅度降低原材料消耗。以PN1.0MPa、DN50的法兰为例，标准的平焊环松套钢制管法兰，其法兰盘的厚度为20 mm，而冲压活套法兰的法兰盘厚度仅为4 mm，其翻边短节的翻边壁厚为3.5 mm，翻边短节焊端壁厚仅为2.6 mm。
      （2）法兰盘和翻边短节均由板材直接冲压成形，除了翻边短节密封面上的水线以外，冲压活套法兰不需要进行机加工，这使得其加工制造成本也得以降低。
      （3）由于冲压活套法兰中法兰盘的非平板式结构，使得其无法采用GB 150-1998《钢制压力容器》中的非标法兰计算方法对其进行设计计算，造成了其在国内的使用推广受到限制的问题。
      以DN80的冲压活套法兰为例进行有限元分析，其法兰盘的尺寸如图。翻边短节尺寸见图。
      法兰盘及翻边短节材料为1Cr18Ni9Ti，螺栓及螺母材料为40MnB，所使用的各材料属性如表。
      以DN80为例，设计压力为PN1.0 MPa，设计温度为150℃。为简化计算，提高计算效率，根据法兰接头系统的对称性，采用工作接头的1/8扇形单元作为，如图，模型包括法兰盘、翻遍短节、螺栓和螺母等四个部分，采用接触副模拟垫片。螺栓与螺母之间采用不分离接触，以防止螺栓滑动。螺栓与法兰盘，法兰盘与翻边短节及两翻边短节之间均采用无摩擦接触。