CN110020474A

CN110020474A - 一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法

Info

Publication number: CN110020474A
Application number: CN201910261821.3A
Authority: CN
Inventors: 朱林波; 乌尼尔; 洪军; 朱永生; 张培源; 石振明
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2019-07-16

Abstract

本发明公开了一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，包括以下步骤：1)输入参数确定：确定几何尺寸和材料参数，确定装配工艺参数；2)螺栓的弹性顺度计算；3)每个螺栓位置被连接件的弹性顺度计算：分析结构微元，建立三向力和三向力矩平衡方程，建立微分方程组，计算被连接件弹性顺度；4)螺栓群拧紧过程中的变形协调方程建立；5)单个螺栓的连接载荷计算；6)通过重复步骤4)和5)，计算每个拧紧步下每个螺栓的连接载荷。本发明可以实现刚柔接触大挠度盘形类结构在工程现场不同连接工艺下螺栓群载荷的快速准确计算，也可为该类结构螺栓群连接工艺参数的优化设计奠定理论基础。

Description

一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法

【技术领域】

本发明属于智能制造领域，涉及一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法。

【背景技术】

刚柔接触大挠度盘形结构，如非金属垫片螺栓法兰密封结构，被广泛应用于石油、化工、核电和航空航天等领域的密封场合之中。该类结构主要通过螺栓群进行连接装配，各个螺栓连接载荷的水平和一致性直接决定着结构密封性能的有效性。然而，在实际装配过程中，由于材料弹性交互作用效应的存在，该类刚柔接触结构的螺栓群连接载荷水平往往难以准确控制，离散度有时高达90％以上。因此，准确预测刚柔接触大挠度盘形类结构螺栓群连接载荷，进而为工程技术人员连接工艺改进提供基础数据，是保障该类结构密封性能的关键所在。

近年来，为了准确预测盘形类结构螺栓群连接载荷，各国学者和技术人员开展了大量研究工作，且主要集中于试验测试和有限元仿真模拟两个方面。然而，一方面受限于结构和成本，试验测试和数值仿真方法往往适用于典型对象和个案研究，无法在工程实际中应用推广；另一方面由于试验测试和数值仿真难以实现迭代寻优计算，无法为后续装配连接工艺参数的最优设计提供基础平台。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，该方法通过系统分析螺栓群装配过程中被连接件的变形特点，构建材料弹性交互作用数学模型，可实现该类结构在工程现场不同连接工艺下螺栓群载荷的快速准确计算，也可为该类结构螺栓群连接工艺参数的优化设计奠定理论基础。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，包括以下步骤：

步骤1：确定输入参数；

步骤2：计算螺栓的弹性顺度；

步骤3：计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度；

步骤4：建立螺栓群拧紧过程中的变形协调方程；

步骤5：计算单个螺栓的连接载荷；

步骤6：重复步骤4和步骤5，计算每个拧紧步下每个螺栓的连接载荷。

本发明进一步的改进在于：

步骤1的具体方法如下：

步骤1-1：确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；

步骤1-2：确定装配工艺参数：确定螺栓数目、拧紧顺序、拧紧批次和各批次目标预紧力。

步骤2的具体方法如下：

螺栓的弹性顺度为：

其中，L_e为螺栓有效长度，单位mm；A_b为螺栓法向横截面积A_b＝πd²/4，单位mm²；d为螺栓公称直径，单位mm；E_b为螺栓材料弹性模量，单位MPa。

步骤3的具体方法如下：

步骤3-1：选取盘形结构微元作为分析模型，对其进行受力分析；

步骤3-2：建立该微元上三向力的平衡方程和三向力矩平衡方程；

步骤3-3：将微元所受弯矩M_n和扭转弯矩M_t代入三向力平衡方程和三向力矩平衡方程，得到方程组：

其中，y₁＝υ为柔性被连接件轴向位移，单位mm；y₂＝β为盘形被连接件弯曲角度，单位rad；y₃＝θ为盘形被连接件扭转角度，单位rad；y₄＝V_b为剪切力，单位N；y₅＝M_n为微元所受弯矩，单位Nmm；y₆＝M_t为微元所受扭矩，单位Nmm；K_g为柔性被连接件刚度，单位N/mm；D₀为盘形被连接件质心位置直径，单位mm；R为盘形被连接件质心位置半径，单位mm；G为柔性被连接件反作用力位置直径，单位mm；G_f为盘形被连接件剪切模量，单位MPa；M_f为盘形被连接件承受弯矩，单位Nmm；P_b为微元承受载荷，单位N；J为截面惯性矩，单位mm⁴；

利用上式计算螺栓加载位置对应的柔性被连接件轴向位移υ和相应位置的盘形被连接件扭转角度θ；

步骤3-4：当螺栓j施加预紧力F_b后，螺栓i处盘形刚柔被连接件合成弹性顺度为：

其中，υ_i为螺栓i位置的柔性被连接件中径轴向位移，单位mm；θ_i为相应位置的盘形被连接件转角，单位rad；k_f为盘形被连接件环面刚度，单位N/mm；

盘形被连接件环面刚度k_f为：

其中：E_f为盘形被连接件材料弹性模量，单位MPa。

步骤4的具体方法如下：

拧紧m批次后螺栓群变形协调方程为：

其中，C_i,j和在矩阵中的位置均由螺栓拧紧顺序确定；矩阵中下标j代表拧紧螺栓编号，上标m代表拧紧批次；如果在第m批次拧紧过程中，每个螺栓目标预紧力为螺栓j被预紧到后，其夹紧力增量为则，当j＝1时，而当j>1时，

步骤5的具体方法如下：

螺栓j在m批次预紧后，螺栓i上的夹紧力为：

其中，为在螺栓第m批次拧紧过程中，预紧螺栓j到前螺栓i上的夹紧力，单位N；当j>1时，k＝j-1且m'＝m；当j＝1时，k＝n而m'＝m-1。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

与传统试验测试和数值仿真方法相比，运用本发明能够快速、准确计算刚柔接触大挠度盘形类结构螺栓群在不同装配工艺下最终连接载荷的分布，成本低、耗时小，且易于工程现场推广应用，可为工程技术人员预测装配连接性能提供数据参考，也可为该类结构螺栓群连接工艺参数的优化设计奠定理论基础，同时也为重大机械装备的智能化水平提升提供使能技术。

【附图说明】

图1为本发明的螺栓群载荷计算流程图；

图2为本发明的两种装配策略示意图；其中，(a)为十字交叉法，(b)为顺时针法；

图3为十字交叉装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰连接螺栓预紧力预测结果与有限元仿真分析结果对比图；

图4为顺时针装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰连接螺栓预紧力预测结果与有限元仿真分析结果对比图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，具体步骤如下：

1)确定输入参数，具体包含如下步骤：

1-1)确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；

1-2)确定装配工艺参数：确定螺栓数目、拧紧顺序、拧紧批次和各批次目标预紧力。

2)计算螺栓的弹性顺度，包含如下步骤：

螺栓的弹性顺度为：

式中，L_e为螺栓有效长度/mm；A_b＝πd²/4为螺栓法向横截面积/mm²；d为螺栓公称直径/mm；E_b为螺栓材料弹性模量/MPa。

3)计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度，具体包含如下步骤：

2-1)选取盘形结构微元作为分析模型，对其进行受力分析；

2-2)建立该微元上三向力的平衡方程和三向力矩平衡方程；

2-3)将微元所受弯矩M_n和扭转弯矩M_t代入三向力平衡方程和三向力矩平衡方程，得到方程组：

式中，y₁＝υ为柔性被连接件轴向位移/mm；y₂＝β为盘形被连接件弯曲角度/rad；y₃＝θ为盘形被连接件扭转角度/rad；y₄＝V_b为剪切力/N；y₅＝M_n为微元所受弯矩/Nmm；y₆＝M_t为微元所受扭矩/Nmm；K_g为柔性被连接件刚度/N/mm；D₀为盘形被连接件质心位置直径/mm；R为盘形被连接件质心位置半径/mm；G为柔性被连接件反作用力位置直径/mm；G_f为盘形被连接件剪切模量/MPa；M_f为盘形被连接件承受弯矩/Nmm；P_b为微元承受载荷/N；J为截面惯性矩/mm⁴；

2-4)当螺栓j施加预紧力F_b后，螺栓i处盘形刚柔被连接件合成弹性顺度为：

式中，υ_i为螺栓i位置的柔性被连接件中径轴向位移/mm；θ_i为相应位置的盘形被连接件转角/rad；k_f为盘形被连接件环面刚度/N/mm。

盘形被连接件环面刚度k_f为：

式中，E_f为盘形被连接件材料弹性模量/MPa。

4)建立螺栓群拧紧过程中的变形协调方程，具体包含如下步骤：

拧紧m批次后螺栓群变形协调方程为：

式中，C_i,j和在矩阵中的位置均由螺栓拧紧顺序确定；矩阵中下标j代表拧紧螺栓编号，上标m代表拧紧批次；如果在第m批次拧紧过程中，每个螺栓目标预紧力为螺栓j被预紧到后，其夹紧力增量为则，当j＝1时，而当j>1时，

5)计算单个螺栓的连接载荷，具体包含如下步骤：

螺栓j在m批次预紧后，螺栓i上的夹紧力为：

式中，为在螺栓第m批次拧紧过程中，预紧螺栓j到前螺栓i上的夹紧力/N；当j>1时，k＝j-1且m'＝m；当j＝1时，k＝n而m'＝m-1。

6)通过重复步骤4和5，计算每个拧紧步下每个螺栓的连接载荷。

实施例：

本实施例试件选用压力管道NPS 4带颈对焊法兰连接，垫片选用压缩后的纤维密封垫片，分析了不同装配顺序下装配载荷的变化规律，并且附图对本发明作进一步详细说明。具体步骤如下：

1)确定输入参数；

1-1)确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数，法兰和螺栓弹性模量E_f＝E_b＝200000MPa，密封垫片弹性模量E_g＝1915MPa；

1-2)确定装配工艺参数：确定螺栓数目为n＝8、拧紧顺序为十字交叉法和顺时针法(如图2所示)、拧紧批次为3、各批次目标预紧力分别为24kN、56kN和80kN。

2)计算螺栓的弹性顺度；

螺栓的弹性顺度为：

3)计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度；

3-1)选取法兰微元作为分析模型，对其进行受力分析；

3-2)建立该微元上三向力的平衡方程和三向力矩平衡方程；

3-3)将微元所受弯矩M_n和扭转弯矩M_t代入三向力平衡方程和三向力矩平衡方程，得到方程组：

式中，y₁＝υ为密封垫片轴向位移/mm；y₂＝β为法兰盘弯曲角度/rad；y₃＝θ为法兰盘扭转角度/rad；y₄＝V_b为剪切力/N；y₅＝M_n为微元所受弯矩/Nmm；y₆＝M_t为微元所受扭矩/Nmm；K_g为密封垫片刚度/N/mm；D₀为法兰盘质心位置直径/mm；R为法兰盘质心位置半径/mm；G为密封垫片反作用力位置直径/mm；G_f为法兰盘剪切模量/MPa；M_f为法兰盘承受弯矩/Nmm；P_b为微元承受载荷/N；J为截面惯性矩/mm⁴；

利用上式计算螺栓加载位置对应的密封垫片轴向位移υ和相应位置的法兰盘扭转角度θ；

3-4)当螺栓j施加预紧力F_b后，螺栓i处法兰盘和密封垫片合成弹性顺度为：

式中，υ_i为螺栓i位置的密封垫片中径轴向位移/mm；θ_i为相应位置的法兰盘转角/rad；k_f为法兰盘环面刚度/N/mm。

法兰盘环面刚度k_f为：

式中，E_f为法兰盘材料弹性模量/MPa。

4)建立螺栓群拧紧过程中的变形协调方程；

4-1)十字交叉法装配顺序下，拧紧m批次后螺栓群变形协调方程为：

4-2)顺时针法装配顺序下，拧紧m批次后螺栓群变形协调方程为：

5)计算单个螺栓的连接载荷；

螺栓j在m批次预紧后，螺栓i上的夹紧力为：

式中，为在螺栓第m批次拧紧过程中，预紧螺栓j到前螺栓i上的夹紧力/N；当j>1时，k＝j-1且m'＝m；当j＝1时，k＝8而m'＝m-1。

十字交叉装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰连接螺栓预紧力预测结果与有限元仿真分析结果对比图如图3所示；顺时针装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰连接螺栓预紧力预测结果与有限元仿真分析结果对比图如图4所示。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定输入参数；

步骤2：计算螺栓的弹性顺度；

步骤3：计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度；

步骤4：建立螺栓群拧紧过程中的变形协调方程；

步骤5：计算单个螺栓的连接载荷；

2.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：

3.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：

螺栓的弹性顺度为：

4.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：

盘形被连接件环面刚度k_f为：

其中：E_f为盘形被连接件材料弹性模量，单位MPa。

5.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤4的具体方法如下：

拧紧m批次后螺栓群变形协调方程为：

其中，C_i,j和在矩阵中的位置均由螺栓拧紧顺序确定；矩阵中下标j代表拧紧螺栓编号，上标m代表拧紧批次；如果在第m批次拧紧过程中，每个螺栓目标预紧力为F_t ^m，螺栓j被预紧到F_t ^m后，其夹紧力增量为则，当j＝1时，而当j>1时，

6.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤5的具体方法如下：

螺栓j在m批次预紧后，螺栓i上的夹紧力为：

其中，为在螺栓第m批次拧紧过程中，预紧螺栓j到F_t ^m前螺栓i上的夹紧力，单位N；当j>1时，k＝j-1且m'＝m；当j＝1时，k＝n而m'＝m-1。