CN110795802A - 一种面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，包括以下步骤：1)螺栓法兰连接结构输入参数确定：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)每个螺栓位置法兰与密封垫片组合的弹性顺度计算：分析结构微元，建立力和力矩平衡方程，建立微分方程组，计算法兰与密封垫片组合弹性顺度；4)单批次拧紧策略下的弹性交互作用力学模型建立；5)螺栓法兰连接各螺栓初始预紧力数值计算：每个螺栓同时施加目标载荷，逐一逆向卸载各螺栓预紧力，依次获得后卸载螺栓载荷。本发明可以实现单批次拧紧策略下法兰各个螺栓初始预紧力参数的快速优化设计，有效保障螺栓法兰连接结构的高密封性能，可为工程技术人员快速设计满足高密封性能的螺栓法兰连接工艺参数提供可靠的计算工具。

Description

一种面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法

【技术领域】

本发明属于智能制造领域，涉及一种面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法。

【背景技术】

螺栓法兰连接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，各个螺栓连接载荷的水平和一致性直接决定着法兰密封性能的有效性。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，法兰螺栓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，在实际应用过程中，在准确预测法兰螺栓连接载荷分布状态的基础上，往往更需要实现装配载荷的定量控制，因此有必要开展螺栓法兰连接工艺参数的快速优化设计方法研究。

近年来，为了保障螺栓法兰连接载荷一致性水平，各国学者提出了分批次拧紧、同步拧紧等新的装配连接工艺概念，并尝试利用弹性交互作用系数法对螺栓连接工艺进行优化设计。然而，一方面尽管多批次拧紧策略可以有效提升连接载荷一致性水平，如ASMEPCC-1-2010标准中提出3～5批次拧紧方案，但多批次拧紧极大增加了劳动成本和出错概率，特别是对大型螺栓法兰连接结构而言，有时反而得不偿失，装配效率低下；另一方面，现有螺栓连接工艺优化设计方法主要基于试验测试和数值仿真结果，优化过程需要耗费大量时间，核心系数难以实现迭代寻优计算，也无法得到最优连接工艺参数。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，该方法通过系统分析螺栓法兰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，结合逆序卸载的优化思想，以载荷均布为目标，实现单批次拧紧策略下法兰各个螺栓初始预紧力参数的快速优化设计，从而有效保障螺栓法兰连接结构的高密封性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定螺栓法兰连接结构输入参数；

步骤2：计算螺栓的弹性顺度；

步骤3：计算每个螺栓位置法兰与密封垫片组合的弹性顺度；

步骤4：建立单批次拧紧策略下螺栓法兰连接的弹性交互作用力学模型；

步骤5：计算螺栓法兰连接各螺栓初始预紧力数值。

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：确定法兰、螺栓、密封垫片的几何尺寸和材料属性参数；

步骤1-2：确定螺栓数目、拧紧顺序和最终目标预紧力。

步骤2的具体方法如下：

螺栓的弹性顺度C_b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：选取法兰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为密封垫片轴向位移，单位mm；y₂＝β为法兰弯曲角度，单位rad；y₃＝θ为法兰扭转角度，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为密封垫片刚度，单位N/mm；D₀为法兰质心位置直径，单位mm；R为法兰质心位置半径，单位mm；G为密封垫片反作用力位置直径，单位mm；G_f为法兰剪切模量，单位MPa；M_f为法兰承受弯矩，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密封垫片轴向位移υ和相应位置的法兰扭转角度θ；

步骤3-4：当螺栓j施加预紧力F_b后，螺栓i处法兰与密封垫片合成弹性顺度C_i,j为：

其中，υ_i为螺栓i位置的密封垫片中径轴向位移，单位mm；θ_i为相应位置的法兰转角，单位rad；k_f为法兰环面刚度，单位N/mm；C为螺栓分布直径，单位mm；G为密封垫片反作用力位置直径，单位mm；F_b为螺栓装配载荷，单位N；

法兰环面刚度k_f为：

其中：E_f为法兰材料弹性模量，单位MPa。

步骤4的具体方法如下：

步骤4-1：单批次后螺栓法兰结构变形协调方程为：

其中，C_i,j和ΔF_i,j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，n代表螺栓数目；如果每个螺栓目标预紧力为F_t，螺栓j被预紧到F_t后，其夹紧力增量为ΔF_j；则，当j＝1时，ΔF₁＝F_t，而当j>1时，ΔF_j＝F_t-F_j,j-1；

步骤4-2：螺栓j在预紧后，螺栓i上的夹紧力F_i,j为：

F_i,j＝F_i,k+ΔF_i,j,i＝1,…,n

其中，F_i,k为在螺栓拧紧过程中，预紧螺栓j到F_t前螺栓i上的夹紧力，单位N；当j>1时，k＝j-1；当j＝1时，F_i,j＝0。

步骤5的具体方法如下：

步骤5-1：对螺栓法兰每个螺栓同时施加目标载荷F_t；

步骤5-2：以螺栓装配顺序的逆向作为卸载顺序，逐一卸载j号螺栓的夹紧力至0，并利用步骤4中建立的螺栓法兰结构变形协调方程，反向计算此时j-1号螺栓夹紧力F_j-1，F_j-1即为单批次拧紧策略j号螺栓需要施加的初始预紧力数值，其中n号螺栓需要施加的初始预紧力数值等于目标载荷F_t；其中，j＝n,…,2；

步骤5-3：重复步骤5-2，计算单批次拧紧策略下每个螺栓需要施加的初始预紧力数值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

与现有多批次拧紧策略和连接工艺优化设计方法相比，运用本发明能够摆脱试验测试和数值模拟的依赖，快速、准确计算单批次拧紧策略下螺栓法兰连接载荷初始预紧力参数，成本低、耗时小，且易于工程现场推广应用，可为工程技术人员快速设计满足高密封性能的螺栓法兰连接工艺参数提供计算工具，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为本发明的螺栓法兰连接工艺设计流程图；

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为螺栓法兰逆序装配序列优化思想示意图；

图4为十字交叉装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰连接优化前后螺栓最终夹紧力分布图；

图5为顺时针装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰连接优化前后螺栓最终夹紧力分布图。

【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，本发明面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，具体步骤如下：

1)确定螺栓法兰连接结构输入参数，具体包含如下步骤：

1-1)确定几何尺寸和材料参数：确定法兰、螺栓、密封垫片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、拧紧顺序和最终目标预紧力。

2)计算螺栓的弹性顺度，具体包含如下步骤：

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)计算每个螺栓位置法兰与密封垫片组合的弹性顺度，具体包含如下步骤：

3-1)选取法兰结构微元作为分析模型，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为法兰弯曲角度/rad；y₃＝θ为法兰扭转角度/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为法兰质心位置直径/mm；R为法兰质心位置半径/mm；G为密封垫片反作用力位置直径/mm；G_f为法兰剪切模量/MPa；M_f为法兰承受弯矩/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处法兰与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为相应位置的法兰转角/rad；k_f为法兰环面刚度/N/mm；C为螺栓分布直径/mm；G为密封垫片反作用力位置直径/mm；F_b为螺栓装配载荷/N；

法兰环面刚度k_f为：

式中：E_f为法兰材料弹性模量/MPa。

4)建立单批次拧紧策略下螺栓法兰连接的弹性交互作用力学模型，具体包含如下步骤：

4-1)单批次后螺栓法兰结构变形协调方程为：

式中，C_i,j和ΔF_i,j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，n代表螺栓数目；如果每个螺栓目标预紧力为F_t，螺栓j被预紧到F_t后，其夹紧力增量为ΔF_j；则，当j＝1时，ΔF₁＝F_t，而当j>1时，ΔF_j＝F_t-F_j,j-1。

4-2)螺栓j在预紧后，螺栓i上的夹紧力为：

F_i,j＝F_i,k+ΔF_i,j,i＝1,...,n

式中，F_i,k为在螺栓拧紧过程中，预紧螺栓j到F_t前螺栓i上的夹紧力，单位N；当j>1时，k＝j-1；当j＝1时，F_i,j＝0。

5)计算螺栓法兰连接各螺栓初始预紧力数值，具体包含如下步骤：

5-1)对螺栓法兰每个螺栓同时施加目标载荷F_t；

5-2)以螺栓装配顺序的逆向作为卸载顺序，逐一卸载j号螺栓的夹紧力至0(j＝n,…,2)，并利用步骤4中建立的螺栓法兰结构变形协调方程，反向计算此时j-1号螺栓夹紧力F_j-1，F_j-1即为单批次拧紧策略j号螺栓需要施加的初始预紧力数值，其中n号螺栓需要施加的初始预紧力数值等于目标载荷F_t；

5-3)重复步骤5-2，计算单批次拧紧策略下每个螺栓需要施加的初始预紧力数值。

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，垫片选用压缩后的聚四氟乙烯(PTFE)密封垫片(Eg＝2143MPa)，目标预紧力为120kN。分析了不同装配顺序下单批次拧紧策略螺栓最终预紧力分布规律，并且附图对本发明作进一步详细说明。具体步骤如下：

1)确定螺栓法兰连接结构输入参数；

1-1)确定几何尺寸和材料参数：确定法兰、螺栓、密封垫片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＝2143MPa；

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)、目标预紧力为120kN。

2)计算螺栓的弹性顺度；

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)计算每个螺栓位置法兰与密封垫片组合的弹性顺度；

3-1)选取法兰结构微元作为分析模型，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为法兰弯曲角度/rad；y₃＝θ为法兰扭转角度/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为法兰质心位置直径/mm；R为法兰质心位置半径/mm；G为密封垫片反作用力位置直径/mm；G_f为法兰剪切模量/MPa；M_f为法兰承受弯矩/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处法兰与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为相应位置的法兰转角/rad；k_f为法兰盘环面刚度/N/mm；C为螺栓分布直径/mm；G为密封垫片反作用力位置直径/mm；F_b为螺栓装配载荷/N。

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)建立单批次拧紧策略下的螺栓法兰连接弹性交互作用力学模型；

4-1)十字交叉法装配顺序下，单批次拧紧后螺栓群变形协调方程为：

3-2)顺时针法装配顺序下，单批次拧紧后螺栓群变形协调方程为：

式中，C_i,j和ΔF_i,j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，n代表螺栓数目；如果每个螺栓目标预紧力为F_t，螺栓j被预紧到F_t后，其夹紧力增量为ΔF_j；则，当j＝1时，ΔF₁＝F_t，而当j>1时，ΔF_j＝F_t-F_j,j-1。

3-3)螺栓j在预紧后，螺栓i上的夹紧力为：

F_i,j＝F_i,k+ΔF_i,j,i＝1,…,n

式中，F_i,k为在螺栓拧紧过程中，预紧螺栓j到F_t前螺栓i上的夹紧力，单位N；当j>1时，k＝j-1；当j＝1时，F_i,j＝0。

5)计算螺栓法兰连接各螺栓初始预紧力；

5-1)对螺栓法兰每个螺栓同时施加目标载荷F_t＝120kN，逆序卸载优化过程如图3所示；

5-2)针对十字交叉法装配顺序(1-5-3-7-2-6-4-8)，根据逆序卸载的思想，逐一逆序卸载8-4-6-2-7-3-5-1，第一步完全卸载8号螺栓载荷，此时其余螺栓夹紧力将会变化，记录下此时4号螺栓上的夹紧力F₄，此值即为正常装配过程中(十字交叉)4号螺栓需要加载的目标载荷，相似的，按照逆序卸载顺序，每完全卸载一个螺栓的预紧力，便记录下一个即将卸载螺栓上的载荷数据，此数据将是该螺栓在正常装配顺序中需要施加的目标载荷数值，以此类推，即可逐一得到1-8号螺栓上需要施加的目标载荷：F₁＝137.78kN，F₂＝100.82kN，F₃＝157.82kN，F₄＝122.21kN，F₅＝137.61kN，F₆＝97.25kN，F₇＝159.08kN和F₈，其中F₈＝F_t＝120.00kN。

5-3)针对顺时针装配顺序(1-2-3-4-5-6-7-8)，相似的，根据逆序卸载的思想，逐一逆序卸载8-7-6-5-4-3-2-1(逆时针)，可逐一得到1-8号螺栓上需要施加的目标载荷：F₁＝137.78kN，F₂＝115.95kN，F₃＝129.82kN，F₄＝131.61kN，F₅＝130.71kN，F₆＝138.66kN，F₇＝145.81kN和F₈，其中F₈＝F_t＝120.00kN。

将计算得到了两种装配顺序下各螺栓初始预紧力输入到有限元模型中，并与未优化的三批次拧紧策略结果对比。十字交叉装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰连接优化前后螺栓最终夹紧力分布如图4所示；顺时针装配顺序下NPS 4带颈对焊法兰优化前后螺栓最终夹紧力分布如图5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 (6)

1.一种面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定螺栓法兰连接结构输入参数；

步骤2：计算螺栓的弹性顺度；

步骤3：计算每个螺栓位置法兰与密封垫片组合的弹性顺度；

步骤4：建立单批次拧紧策略下螺栓法兰连接的弹性交互作用力学模型；

步骤5：计算螺栓法兰连接各螺栓初始预紧力数值。

2.根据权利要求1所述的面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：

步骤1-1：确定法兰、螺栓、密封垫片的几何尺寸和材料属性参数；

步骤1-2：确定螺栓数目、拧紧顺序和最终目标预紧力。

3.根据权利要求1所述的面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：

螺栓的弹性顺度C_b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。

4.根据权利要求1所述的面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：

步骤3-1：选取法兰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为密封垫片轴向位移，单位mm；y₂＝β为法兰弯曲角度，单位rad；y₃＝θ为法兰扭转角度，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为密封垫片刚度，单位N/mm；D₀为法兰质心位置直径，单位mm；R为法兰质心位置半径，单位mm；G为密封垫片反作用力位置直径，单位mm；G_f为法兰剪切模量，单位MPa；M_f为法兰承受弯矩，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密封垫片轴向位移υ和相应位置的法兰扭转角度θ；

步骤3-4：当螺栓j施加预紧力F_b后，螺栓i处法兰与密封垫片合成弹性顺度C_i,j为：

其中，υ_i为螺栓i位置的密封垫片中径轴向位移，单位mm；θ_i为相应位置的法兰转角，单位rad；k_f为法兰环面刚度，单位N/mm；C为螺栓分布直径，单位mm；G为密封垫片反作用力位置直径，单位mm；F_b为螺栓装配载荷，单位N；

法兰环面刚度k_f为：

其中：E_f为法兰材料弹性模量，单位MPa。

5.根据权利要求1所述的面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，其特征在于，步骤4的具体方法如下：

步骤4-1：单批次后螺栓法兰结构变形协调方程为：

其中，C_i,j和ΔF_i,j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，n代表螺栓数目；如果每个螺栓目标预紧力为F_t，螺栓j被预紧到F_t后，其夹紧力增量为ΔF_j；则，当j＝1时，ΔF₁＝F_t，而当j>1时，ΔF_j＝F_t-F_j,j-1；

步骤4-2：螺栓j在预紧后，螺栓i上的夹紧力F_i,j为：

F_i,j＝F_i,k+ΔF_i,j,i＝1,…,n

其中，F_i,k为在螺栓拧紧过程中，预紧螺栓j到F_t前螺栓i上的夹紧力，单位N；当j>1时，k＝j-1；当j＝1时，F_i,j＝0。

6.根据权利要求1所述的面向高密封性能的螺栓法兰连接工艺快速设计方法，其特征在于，步骤5的具体方法如下：

步骤5-1：对螺栓法兰每个螺栓同时施加目标载荷F_t；

步骤5-2：以螺栓装配顺序的逆向作为卸载顺序，逐一卸载j号螺栓的夹紧力至0，并利用步骤4中建立的螺栓法兰结构变形协调方程，反向计算此时j-1号螺栓夹紧力F_j-1，F_j-1即为单批次拧紧策略j号螺栓需要施加的初始预紧力数值，其中n号螺栓需要施加的初始预紧力数值等于目标载荷F_t；其中，j＝n,…,2；

步骤5-3：重复步骤5-2，计算单批次拧紧策略下每个螺栓需要施加的初始预紧力数值。

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