CN106958496B - 一种两部位支撑式法兰连接结构及其设计方法 - Google Patents

一种两部位支撑式法兰连接结构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

一种两部位支撑式法兰连接结构是一种能够降低螺栓峰值应力，增强螺栓强度裕量的法兰连接结构，其设计过程如下：首先根据密封要求或相关标准，确定密封圈的压缩量、回弹量，由此计算得到两支撑部位的高度差；然后根据法兰所受的分离力及法兰通径，初步确定螺栓个数及规格；之后可凭经验初步确定法兰形状，并进行有限元分析，优化法兰形状、螺栓规格、预紧力等参数；最后将螺栓预紧力转化为工程使用控制参数。本发明能够有效降低螺栓在整个工作循环中所受的弯矩峰值，从而降低螺栓应力峰值，提高其强度安全裕量，进而降低法兰刚度要求，降低法兰连接结构的整体重量。

Description

一种两部位支撑式法兰连接结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种法兰连接结构及其设计方法。
背景技术
火箭发动机对结构重量要求严格，发动机结构重量降低就意味着火箭有效载荷重量的增大。液体火箭发动机大量采用法兰连接结构，按两法兰支撑部位的不同，目前的法兰连接结构大体可分为两类：1)大面积接触式法兰连接结构，如图1(a)所示；2)只有密封结构处接触—单一部位支撑式法兰连接结构，如图1(b)所示。
密封圈位于介质侧，对于大面积接触式法兰连接结构，在装配状态下(未充入介质)螺栓基本不受弯矩作用(由于密封圈支反力的作用，法兰介质侧会有一定的张开量，螺栓会受到较小的弯矩)，但在工作状态下(充入介质)，法兰连接结构受到轴向分离力作用，法兰介质侧张开距离变大，法兰与螺母或螺帽的接触面倾角变大，螺栓受到的弯矩变大。弯矩作用会使螺栓沿自身周向应力分布不均匀，在轴向力相同的条件下，应力分布不均匀导致应力峰值变大，螺栓的安全裕量降低。对于单一部位支撑式法兰连接结构，在装配状态下螺栓即受到较大的弯矩作用，在工作状态下，螺栓所受的弯矩会进一步增大，在螺栓轴向力相同的情况下，螺栓的安全裕量偏低。
为降低螺栓所受的弯矩，一般采用增加法兰厚度的方法来增加法兰的刚度，这就导致法兰连接结构增重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种两部位支撑式法兰连接结构及其设计方法，该法兰连接结构形式能够有效减小螺栓受到的弯矩，增加其安全裕量，同时降低对法兰刚度的要求，降低法兰重量。
本发明所采用的技术方案是：一种两部位支撑式法兰连接结构，包括第一法兰、第二法兰、连接螺栓、密封圈；密封圈安装在第一法兰的法兰盘的密封槽内，第二法兰的法兰盘上有与第一法兰的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰与第二法兰之间通过螺栓连接，第一法兰与第二法兰之间通过密封圈与第二法兰外缘处的凸起结构支撑。
所述第二法兰与第一法兰安装后，第二法兰外边缘处凸起结构与第一法兰之间的间隙等于初始压缩量a与密封圈实际回弹量的差值。
一种两部位支撑式法兰连接结构的设计方法，包括如下步骤：
步骤一、确定法兰连接结构处的介质压力以及法兰连接结构的轴向分离力载荷；所述法兰连接结构包括第一法兰、第二法兰、连接螺栓、密封圈；密封圈安装在第一法兰的法兰盘的密封槽内，第二法兰的法兰盘上有与第一法兰的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰与第二法兰之间通过螺栓连接，第一法兰与第二法兰之间通过密封圈与第二法兰外缘处的凸起结构支撑；
步骤二、根据设定的密封圈漏率要求，确定密封圈的初始压缩量a及允许的最大回弹量bmax；确定第二法兰凸起结构与第一法兰之间的间隙初始值c0＝a-bmax；
步骤三、根据介质压力，初步确定法兰结构参数；所述的法兰结构参数包括管路壁厚、法兰盘厚度、法兰盘外径；
步骤四、计算螺栓的总载荷、确定螺栓数量n；根据螺栓的总载荷、螺栓数量，计算获得单个螺栓的载荷并确定螺栓规格；将单个螺栓载荷初步确定为螺栓预紧力；
步骤五、对法兰连接结构进行有限元静力学分析，获得法兰结构参数及螺栓预紧力的最终值、密封圈实际回弹量；根据密封圈实际回弹量调整第二法兰外边缘处凸起结构高度，使得凸起结构与第一法兰之间的间隙等于初始压缩量a与密封圈实际回弹量的差值；
步骤六、根据步骤五中确定的螺栓预紧力、量化控制措施，确定量化控制参数范围；根据步骤五中确定的法兰结构参数、凸起结构高度，确定第一法兰、第二法兰的结构。
所述步骤五中，获得第二法兰外边缘处凸起结构高度的具体步骤如下：
5.1、建立法兰连接结构有限元分析模型：以每个螺栓的轴线与法兰盘轴线所在平面为剖面，将法兰连接结构分为n等份；取其中任意一份，利用其对称面为剖面，将其分为两等份，其中一份作为分析模型；
5.2、对分析模型施加边界条件：约束第一法兰端部的轴向位移，约束分析模型两侧面的周向位移；
5.3、施加螺栓预紧力，计算得到的密封圈压缩量Z1；施加介质内压及法兰分离力，计算得到的密封圈压缩量Z2；
5.4、调整法兰结构参数、螺栓预紧力值使得结构应力低于许用应力；
5.5、计算密封圈实际回弹量b1＝Z1-Z2；判断c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，则调整第二法兰的凸起结构高度；
5.6、获得新一轮迭代中的凸起结构与第一法兰之间的间隙值ci，使得ci＝a-bi，返回步骤5.3，得到新一轮迭代中的密封圈实际回弹量bi+1；i为迭代次数，为正整数，初值为1；
5.7、若bi+1＝bi，停止迭代，获得最终的第二法兰的凸起结构高度；否则，调整第二法兰的凸起结构高度，i＝i+1，重复步骤5.6。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出一种新的法兰连接结构形式，通过详细设计分析，可以有效降低螺栓在整个工作循环中所受的弯矩，从而降低螺栓的应力峰值，增加其强度裕量，同时有助于降低整个法兰连接结构的重量；
(2)本发明提出一种简化计算方法，利用力矩平衡原理，初步确定螺栓预紧载荷，以此为依据，可以选定螺栓规格；
(3)本发明提出一种法兰外缘处支撑结构高度的迭代计算方法，通过该方法计算得到法兰外缘处支撑结构的高度，可以实现螺栓应力分布均匀的目标。
附图说明
图1(a)、图1(b)为目前常用的两种法兰连接形式示意图；
图2为两部位支撑式法兰连接结构示意图；
图3为本发明方法的流程框图；
图4是本发明方法涉及到的简化计算过程中法兰力矩平衡示意图；
图5是不同法兰连接结构螺栓应力分布情况对比。
具体实施方式
如图2所示，一种两部位支撑式法兰连接结构，包括第一法兰1、第二法兰2、连接螺栓3、密封圈4；密封圈4安装在第一法兰1的法兰盘的密封槽内，第二法兰2的法兰盘上有与第一法兰1的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰1与第二法兰2之间通过螺栓3连接。第一法兰1与第二法兰2之间通过密封圈4与第二法兰2外缘处的凸起结构支撑。
图3为本发明方法的流程框图，一种两部位支撑式法兰连接结构设计方法，主要步骤如下：
(1)确定法兰连接结构处的介质压力以及法兰连接结构的轴向分离力等载荷，法兰连接结构的轴向分离力可由下式计算：
F1＝Pπr2
式中F1为法兰连接结构轴向分离力，P为介质内压，r为管路流通面的半径。应注意不是所有法兰连接结构都受到轴向分离力的作用，对于直管或在拐弯处存在支撑结构的弯管，其法兰连接结构处可能不受轴向分离力作用，应具体问题具体分析。
(2)根据漏率要求，结合已有标准或试验数据，确定密封圈的初始压缩量a及允许的最大回弹量bmax；确定第二法兰2与第一法兰1恰好与密封圈4接触时，第二法兰2外缘凸起结构与第一法兰1之间的间隙初始值为c0＝a-bmax，由此确定第二法兰2外缘凸起结构的高度初始值。
(3)根据介质压力，参照工程经验，初步确定法兰结构参数，主要是管路壁厚、法兰盘厚度、法兰盘外径等参数。管路壁厚的初步确定可采用如下方法：
PD/2δ≤[σ]
式中D为管路流通面的直径，D＝2r，δ为管路壁厚，[σ]为材料许用应力。法兰盘厚度可根据经验先大致确定一个值，后续通过有限元分析进行优化。根据轻量化原则，法兰盘外径应足够小，但法兰盘外径的最小值受螺栓布置空间限制，因此可以根据螺栓布置空间来确定法兰盘外径。
(4)将法兰简化为一根刚体杆，其受力情况如图4所示，则根据力矩平衡原则计算得到螺栓的总载荷为
F3＝(F1L1+F2L2)/l
式中F2是由密封圈变形数据得到的密封圈回弹力，L1为法兰内壁与外侧支撑点之间距离，L2为密封圈与法兰外侧支撑点之间距离，l为螺栓力线与法兰外侧支撑点之间距离。根据螺栓布置空间可以确定螺栓数量n，从而得到单个螺栓载荷F4＝F3/n并确定螺栓规格；将F4初步确定为螺栓预紧力。
(5)对法兰连接结构进行有限元静力学分析，获得法兰结构参数及螺栓预紧力的最终值、密封圈实际回弹量*；根据密封圈实际回弹量调整第二法兰2外边缘处凸起结构高度，使得凸起结构与第一法兰1之间的间隙等于初始压缩量a与密封圈实际回弹量的差值；具体步骤如下：
5.1、建立法兰连接结构有限元分析模型：以每个螺栓的轴线与法兰盘轴线所在平面为剖面，将法兰连接结构分为n等份；取其中任意一份，利用其对称面为剖面，将其分为两等份，其中一份作为分析模型；
5.2、对分析模型施加边界条件：约束第一法兰1端部的轴向位移，约束分析模型两侧面的周向位移；
5.3、施加螺栓预紧力，计算得到密封圈压缩量Z1；施加介质内压及法兰分离力，计算得到密封圈压缩量Z2；
5.4、调整法兰结构参数、螺栓预紧力，使得结构应力低于许用应力；
5.5、计算密封圈实际回弹量b1＝Z1-Z2；判断c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，则调整第二法兰2的凸起结构高度，获得新的凸起结构与第一法兰1之间的间隙值c1，使得c1＝a-b1，返回步骤5.3，得到新的密封圈回弹量b2；若b2＝b1，停止迭代；否则，调整第二法兰2的凸起结构高度，继续迭代；通过迭代，最终获得凸起结构高度。
*：非金属密封圈承压能力较差，可以在法兰密封槽附近设置限位结构，以保证密封圈初始压缩量。
(6)根据步骤(5)中确定的法兰结构参数、凸起结构高度，确定第一法兰1、第二法兰2的结构；根据步骤(5)中确定的螺栓预紧力以及选定的量化控制措施，确定量化控制参数的范围，例如选定力矩控制方法作为量化控制措施，则需要将步骤(5)中确定的螺栓预紧力通过扭拉公式转化为力矩值，再根据实际安装可能产生的偏差，确定力矩范围。
实施例
下面通过具体实例来描述两部位支撑式法兰的结构特点及其设计流程：
(1)法兰通径为120mm，介质内压为40MPa，由此计算得到法兰连接结构轴向分离力F1＝Pπr2＝452.4kN。
(2)假定密封圈4为弹性结构，刚度为100kN/mm，根据漏率要求，密封圈4初始压缩量为a＝1.0mm，允许的最大回弹量bmax＝0.3mm；则当第一法兰1、第二法兰2刚好与密封圈4接触时，第二法兰2外缘处凸起结构与第一法兰1之间的间隙初始值为c0＝a-bmax＝0.7mm；假定第一法兰1密封槽深度为4.2mm、第二法兰2密封榫高度为1.9mm、密封圈4的高度为4mm，则可以确定第二法兰2外缘处凸起结构初始高度为1.9-(4.2-4)-c0＝1.0mm；密封槽、密封榫宽度定为4mm，第二法兰2外缘处凸起结构宽度定为5mm。
(3)管路材料许用应力[σ]＝500MPa，则管路壁厚δ≥PD/2[σ]＝4.8mm，因此管路壁厚取5mm；法兰盘厚度初步确定为15mm；由于螺栓规格尚未确定，需要的安装空间尚不明确，预留30mm宽度，则法兰盘外径为120+5×2+30×2＝190mm。
(4)将法兰简化为一根刚体杆，假定密封榫槽结构距法兰内壁4mm，则L1＝35mm，L2＝31mm，l＝15mm，根据密封圈4的刚度及压缩量，可知F2＝20kN，根据上述参数，螺栓总载荷F3＝(F1L1+F2L2)/l＝1097kN；假定螺栓数量n＝18个，则单个螺栓载荷F4＝F3/n＝61kN；初步确定螺栓预紧力为61kN，根据螺栓使用载荷要求，选定螺栓规格为M14。
(5)根据初步确定的法兰结构、螺栓规格以及螺栓预紧力，进行有限元分析，有限元分析模型的选取、边界条件以及载荷的设置如前所述，计算得到第一法兰1、第二法兰2主体结构应力均在500MPa以下，满足使用要求，可以将法兰结构参数作为最终参数，也可以根据需要进一步轻量化处理；计算得到Z1＝1.00mm，Z2＝0.80mm，b1＝Z1-Z2＝0.20mm，c0＝a-b1等式不成立；将第二法兰2外缘处凸起结构高度调整为0.90mm，使得c1＝a-b1，重新计算得到Z1＝1.00mm，Z2＝0.83mm，b2＝Z1-Z2＝0.17mm，数次迭代后，最终确定第二法兰2外缘处凸起结构高度为0.80mm(由于生产公差的存在，b2严格等于b1是无法实现的，二者差别在允许的范围内即可，而这一允许的范围视螺栓应力分布情况而定，二者差别越小，螺栓应力分布越均匀)。
(6)将螺栓预紧力转变为工程实用的量化控制参数，本例中将螺栓拧紧力矩作为量化控制参数，螺栓拧紧力矩由螺栓扭拉公式计算：
T＝kD1F4＝171N·m
式中k为扭矩系数，本例中取0.2，T为螺栓拧紧力矩，D1是螺栓公称直径；最终确定螺栓拧紧力矩为171N·m±2N·m。
采用同样边界条件及载荷条件，分别对大面积接触式法兰连接结构、单一部位支撑式法兰连接结构进行计算(所有参数与两部位接触式法兰连接结构基本一致)，计算得到的螺栓轴向力以及螺栓中截面峰值应力与两部位接触式法兰连接结构计算结果进行对比，见表1。对比可知，两部位接触式法兰连接结构螺栓在整个工作过程中的峰值应力明显低于另外两种法兰连接形式，且工作状态下螺栓的轴向力最高，表明法兰连接更可靠。两部位接触式法兰连接结构的螺栓轴向力最高、应力最低，主要是因为其应力分布均匀，工作状态下三种法兰连接结构螺栓中截面直径方向Von-mises应力分布情况见图5，其中单一部位支撑式法兰连接结构螺栓应力两端高中间低，说明其一侧以压应力为主。
表1螺栓轴向力及峰值应力对比
注：未考虑材料塑性。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种两部位支撑式法兰连接结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定法兰连接结构处的介质压力以及法兰连接结构的轴向分离力载荷；所述法兰连接结构包括第一法兰(1)、第二法兰(2)、连接螺栓(3)、密封圈(4)；密封圈(4)安装在第一法兰(1)的法兰盘的密封槽内，第二法兰(2)的法兰盘上有与第一法兰(1)的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过螺栓(3)连接，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过密封圈(4)与第二法兰(2)外缘处的凸起结构支撑；
步骤二、根据设定的密封圈漏率要求，确定密封圈的初始压缩量a及允许的最大回弹量bmax；确定第二法兰(2)凸起结构与第一法兰(1)之间的间隙初始值c0＝a-bmax；
步骤三、根据介质压力，初步确定法兰结构参数；所述的法兰结构参数包括管路壁厚、法兰盘厚度、法兰盘外径；
步骤四、计算螺栓的总载荷、确定螺栓数量n；根据螺栓的总载荷、螺栓数量，计算获得单个螺栓的载荷并确定螺栓规格；将单个螺栓载荷初步确定为螺栓预紧力；
步骤五、对法兰连接结构进行有限元静力学分析，获得法兰结构参数及螺栓预紧力的最终值、密封圈实际回弹量；根据密封圈实际回弹量调整第二法兰(2)外边缘处凸起结构高度，使得凸起结构与第一法兰(1)之间的间隙等于初始压缩量a与密封圈实际回弹量的差值；
步骤六、根据步骤五中确定的螺栓预紧力、量化控制措施，确定量化控制参数范围；根据步骤五中确定的法兰结构参数、凸起结构高度，确定第一法兰(1)、第二法兰(2)的结构。
2.根据权利要求1所述的一种两部位支撑式法兰连接结构的设计方法，其特征在于：所述步骤五中，获得第二法兰(2)外边缘处凸起结构高度的具体步骤如下：
5.1、建立法兰连接结构有限元分析模型：以每个螺栓的轴线与法兰盘轴线所在平面为剖面，将法兰连接结构分为n等份；取其中任意一份，利用其对称面为剖面，将其分为两等份，其中一份作为分析模型；
5.2、对分析模型施加边界条件：约束第一法兰(1)端部的轴向位移，约束分析模型两侧面的周向位移；
5.3、施加螺栓预紧力，计算得到的密封圈压缩量Z1；施加介质内压及法兰分离力，计算得到的密封圈压缩量Z2；
5.4、调整法兰结构参数、螺栓预紧力值使得结构应力低于许用应力；
5.5、计算密封圈实际回弹量b1＝Z1-Z2；判断c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，则调整第二法兰(2)的凸起结构高度；
5.6、获得新一轮迭代中的凸起结构与第一法兰(1)之间的间隙值ci，使得ci＝a-bi，返回步骤5.3，得到新一轮迭代中的密封圈实际回弹量bi+1；i为迭代次数，为正整数，初值为1；
5.7、若bi+1＝bi，停止迭代，获得最终的第二法兰(2)的凸起结构高度；否则，调整第二法兰(2)的凸起结构高度，i＝i+1，重复步骤5.6。
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ANSYS二次开发在火箭发动机法兰结构设计中的应用;刘博，许健;《火箭推进》;20161031;第42卷(第5期);第39-45页 *

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