CN112199868B - 一种面向结合面密封性能要求的多螺栓拧紧策略优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向结合面密封性能要求的多螺栓拧紧策略优化方法，基于结合面接触刚度理论和单螺栓应力分布模型，结合螺栓弹性交互作用，提出了一种面向结合面密封性能要求的多螺栓拧紧策略优化方法。根据单螺栓应力分布模型将螺栓法兰密封接触面划分为螺栓应力作用区域和弹性交互作用区域，分别构建螺栓应力作用区域接触刚度与螺栓残余预紧力之间的关系模型、弹性交互作用区域与相应螺栓残余预紧力之和的关系模型，并建立螺栓法兰结合面整体接触刚度模型。利用此关联模型求解各螺栓预紧力，从而实现由密封性能到螺栓装配策略的优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺栓组连接件的预紧优化方法，具体涉及一种带有金属缠绕垫片的螺栓法兰连接系统中面向结合面密封性能要求的螺栓拧紧策略优化，属于装配技术领域。
背景技术
在石油、化工、医药、能源等工业部门的装备过程中，密封占据中要的地位。其中螺栓密封结构是压力容器、工业设备和连接管道等可拆接处最主要的静密封形式，应用极其广泛且数量巨大。从密封系统的施工角度来看，适量且均匀的螺栓预紧载荷对密封性能有至关重要的影响。分布不均匀的螺栓载荷会产生不规则的垫片应力分步，特别是在高温，高压等极端工况下，将极大影响密封性能，同时减少螺栓的使用寿命。因此，研究螺栓密封机构性能，并对其密封性能进行评估和改良，不仅对工业生产具有明显的经济效应，也具有节能减排的社会效益。
螺栓法兰密封结构是典型的强制式密封，有被连接件(法兰)、密封元件(垫片)、连接件(螺栓)三部分组成。
在螺栓法兰密封面处，由于螺栓压力分布导致密封面上压力分布不均匀，从而导致密封面上局部出现接触刚度过小。密封面上接触刚度过小的部位也就容易出现泄漏现象。因此，螺栓法兰连接系统密封性能的改善提高及影响因素的研究和评估都具有非常重要的工程价值。
本方法基于结合面接触刚度的计算方法及单螺栓应力分布，结合螺栓弹性交互作用，提出了一种面向结合面密封要求的多螺栓拧紧策略优化方法。在确定了结合面上接触刚度及螺栓应力分布下，推算螺栓弹性交互区域(两螺栓之间)接触刚度与螺栓预紧力之间的关系模型，从而对螺栓的拧紧策略进行优化。
发明内容
本发明目的是；为了优化螺栓法兰结合面上局部接触刚度，进而优化密封面上的整体接触刚度，基于分形理论和单螺栓应力分布模型，构建螺栓弹性交互作用区域接触刚度与螺栓预紧力的关系模型。以计算软件MATLAB和有限元分析软件ANSYS为工具，计算结合面上螺栓弹性交互作用区域接触刚度，构建其与螺栓预紧力之间的关系模型，从提高结合面接触刚度的角度来考虑螺栓拧紧策略。因此，本发明提出了一种面向结合面密封性能要求的螺栓拧紧策略优化方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种面向结合面密封性能要求的螺栓拧紧策略优化方法，包括如下步骤；
步骤一、根据单螺栓连接结构中压应力分布模型将螺栓法兰密封面处划分为螺栓压应力作用区域和弹性交互作用区域；
步骤二、分析各螺栓预紧力与螺栓压应力作用区域接触刚度的关联机理，基于分析数据构建此关联机理的数学模型式中F为各螺栓预紧力，/>为螺栓组预紧后各螺栓处接合面的刚度，A为弹性相互作用矩阵；
步骤三、分析螺栓弹性交互作用区域刚度与螺栓预紧力的关联机理，基于分析数据构建此关联的数学模型式中Fi,i+1为弹性交互作用区域相邻两个螺栓预紧力之和，B为弹性相互作用区域关联矩阵，/>为螺栓弹性交互作用区域刚度；
步骤四、结合面接触区域总刚度利用此关联模型求解各螺栓预紧力，从而实现由密封性能到螺栓装配策略的优化设计。
本发明建立了一种面向结合面密封性能的螺栓拧紧策略优化方法。通过建立结合面接触刚度与螺栓预紧力之间的关系模型，从而实现从结合面接触刚度角度来推导螺栓法兰螺栓预紧力的方法。传统的螺栓拧紧策略只是考虑螺栓预紧力的大小和均匀程度，而本发明是从结合面接触刚度角度来考虑的，相比传统螺栓拧紧策略更加直观，且对螺栓密封薄弱位置的接触刚度进行了优化。
附图说明
图1被连接件压应力分布图，图中：d：螺栓公称直径；dh：螺栓孔直径；dw：垫片支撑面直径；θ：半顶角；dm：被连接件外部直径；L：被连接件总厚度；h：受压锥体区域的高度。
图2螺栓法兰密封接触面划分图。
图3螺栓弹性相互作用示意图，(a)仅拧紧螺栓-1(b)顺序拧紧螺栓-2。
图4螺栓法兰有限元结构。
图5顺序拧紧最终螺栓预紧力与目标预紧力之比。
图6全部螺栓作用区域总力与每一步螺栓残余预紧力之比曲线图。
图7全部螺栓弹性交互作用区域总力与每一步螺栓残余预紧力之比曲线图。
图8两个螺栓之间弹性交互作用区域的总力与相邻两个螺栓上残余预紧力之间的之比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本方法实施的具体流程进行详细描述。
一种面向结合面密封性能要求的螺栓拧紧策略，所述步骤一具体为：
被连接件在螺栓预紧力作用下螺栓孔附近的受压区域压应力分布规则是十分复杂的，不利于解析计算，现有文献一般将被连接件受压区域简化为空心的圆柱体、球体、圆锥体三种形式，其中空心圆锥体模型计算建波的同时具有较好的精度，因为得到广泛的应用。
假设被连接件受压区域为圆锥体与圆柱体相结合的形状，如图1所示，厚度均为L/2的两个连接件，当被连接件的外部直径dm≥dw+Ltanθ时，受压区域为空心圆锥体，但被连接件的外部直径dw≤dm＜dw+Ltanθ时，受压区域为空心圆柱体与圆锥体的结合。
在GB/T 9119-2010PN6 DN125板式平焊钢制管法兰中连接件的尺寸远远大于螺栓尺寸，保证了被连接件受压区域的完整性。如图1的(a)可知，被连接件的压力分布区域为圆环面，且在不同受压层圆环面的面积不同，圆环面的外径为：
Dout＝Dw+2×hi tanθ (1)
圆环面的内径为：
Din＝Dh (2)
式中，Dw为螺栓头直径，Dh为螺栓孔直径，hi为被连接件厚度，θ为压应力锥体分布的半顶角。
根据上述公式将GB/T 9119-2010PN6 DN125板式平焊钢制管法兰密封面出划分为螺栓压应力作用区域和弹性交互作用区域，如图2所示。
所述步骤二具体为：
螺栓预紧力的变化是由于螺栓法兰连接件中单元的变形引起的。螺栓法兰连接件是一种复杂的结构，其中包含螺栓、密封垫片、法兰。如图3所示的螺栓弹性交互作用示意图可知螺栓-1在螺栓-2拧紧后的残余预紧力为；
式中，F1为螺栓-1初始预紧力，ΔF1,2为由螺栓-2的预警而造成螺栓-1上预紧力的变化，F2为螺栓-2初始预紧力，Kb1为螺栓-1的刚度，K1,1为节点-1的压缩刚度，Kg1为节点-1‘的压缩刚度，为螺栓-1与螺栓-2之间的弹性交互作用刚度。
以GB/T 9119-2010PN6 DN125板式平焊钢制管法兰为例。采用顺时针拧紧其上八个螺栓，预紧m次时螺栓拉力增量可由以下方程组得到：
式中，Fn,n为各螺栓残余预紧力，为各螺栓初始预紧力
公式(5)可以简写为；
由单位面积上法向接触刚度的退化经验公式；
既
式中：kn为法向接触刚度，pn为接合面的法向压力，α、β为接合面常数，ki、pi为接合面上第i节点的刚度与压力，Δs为节点网格面积，取决于网格大小。
因此接合面接触刚度可表示为；
式中：S为螺栓连接接合面有效承压面积，m为网格总数。
根据以上公式，首先建立螺栓压应力作用区域刚度与螺栓预紧力之间的关联模
式中：F为螺栓预紧力，为螺栓预紧后各螺栓压应力作用区域接合面的刚度，A为关系系数。
将公式(6)代入公式(10)中得
所述步骤三具体为：
在ANSYS中仿真分析带有金属缠绕垫片的GB/T 9119-2010PN6DN125板式平焊钢制管法兰，如图4所示。采用顺序拧紧的方法(顺时针)得到各螺栓上残余预紧力与目标预紧力的比值，如图5所示。并根据图2所示，分别提取螺栓法兰结合面上螺栓压应力作用区域应力和弹性交互作用区域应力如表1所示。图6和图7分别表示全部螺栓作用区域总力与螺栓残余预紧力之比和全部螺栓弹性交互作用区域总力与螺栓残余预紧力之比。
表1螺栓法兰密封垫片上全部螺栓作用区域总力与全部螺栓弹性交互区域作用总力。
图8为两个螺栓之间弹性交互作用区域的总力与相邻两个螺栓上残余预紧力之间的比值。右图中可以看出占比的最大值为0.181，最小值为0.104，其平均值为0.135，且平均值与其他值之间的最大为误差为0.046，小于0.05因此其平均值可以作为准确的参考数值。取其整体的平均值为螺栓弹性交互作用区域总力与相邻螺栓残余预紧力之和的系数。由公式；
式中Fi,i+1为弹性交互作用区域相邻两个螺栓预紧力之和，B为弹性相互作用区域关联矩阵，为螺栓弹性交互作用区域刚度。
可知；
B＝0.135 (13)
所述步骤三具体为：
螺栓法兰结合面接触区域总刚度为；
利用此关联模型求解各螺栓预紧力，从而实现由密封性能到螺栓装配策略的优化设计。
Claims (2)
1.一种面向结合面密封性能要求的多螺栓拧紧策略优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤；
步骤一、根据单螺栓连接结构中压应力分布模型将螺栓法兰密封面处划分为螺栓压应力作用区域和弹性交互作用区域；
步骤二、分析各螺栓预紧力与螺栓压应力作用区域接触刚度的关联机理，基于分析数据构建此关联机理的数学模型式中F为各螺栓预紧力，/>为螺栓组预紧后各螺栓处接合面的刚度，A为弹性相互作用矩阵；
步骤三、分析螺栓弹性交互作用区域刚度与螺栓预紧力的关联机理，基于分析数据构建此关联的数学模型式中Fi,i+1为弹性交互作用区域相邻两个螺栓预紧力之和，B为弹性相互作用区域关联矩阵，/>为螺栓弹性交互作用区域刚度；
步骤四、结合面接触区域总刚度利用此关联模型求解各螺栓预紧力，从而实现由密封性能到螺栓装配策略的优化设计；
将被连接件受压区域简化为空心圆锥体模型计算建模；
假设被连接件受压区域为圆锥体与圆柱体相结合的形状，厚度均为L/2的两个连接件，当被连接件的外部直径dm≥dw+L tanθ时，受压区域为空心圆锥体，当被连接件的外部直径dw≤dm＜dw+L tanθ时，受压区域为空心圆柱体与圆锥体的结合；
被连接件的压力分布区域为圆环面，且在不同受压层圆环面的面积不同，圆环面的外径为：
Dout＝Dw+2×hitanθ (1)
圆环面的内径为：
Din＝Dh (2)
式中，Dw为螺栓头直径，Dh为螺栓孔直径，hi为被连接件厚度，θ为压应力锥体分布的半顶角；
根据上述公式将板式平焊钢制管法兰密封面出划分为螺栓压应力作用区域和弹性交互作用区域；
螺栓预紧力的变化是由于螺栓法兰连接件中单元的变形引起的；螺栓法兰连接件是一种复杂的结构，其中包含螺栓、密封垫片、法兰；螺栓弹性交互作用，螺栓-1在螺栓-2拧紧后的残余预紧力：
式中，F1为螺栓-1初始预紧力，ΔF1,2为由螺栓-2的预警而造成螺栓-1上预紧力的变化，F2为螺栓-2初始预紧力，Kb1为螺栓-1的刚度，K1,1为节点-1的压缩刚度，Kg1为节点-1‘的压缩刚度，为螺栓-1与螺栓-2之间的弹性交互作用刚度；
采用顺时针拧紧其上八个螺栓，预紧m次时螺栓拉力增量由以下方程组得到：
式中，Fn,n为各螺栓残余预紧力，为各螺栓初始预紧力
公式(5)简写为；
由单位面积上法向接触刚度的退化经验公式；
即
式中：kn为法向接触刚度，pn为接合面的法向压力，α、β为接合面常数，ki、pi为结合面上第i节点的刚度与压力，Δs为节点网格面积，取决于网格大小；
因此接合面接触刚度表示为；
式中：S为螺栓连接接合面有效承压面积，m为网格总数；
根据以上公式，首先建立螺栓压应力作用区域刚度与螺栓预紧力之间的关联模型：
式中：F为螺栓预紧力，为螺栓预紧后各螺栓压应力作用区域接合面的刚度，A为关系系数；
将公式(6)代入公式(10)中得
2.根据权利要求1所述的一种面向结合面密封性能要求的多螺栓拧紧策略优化方法，其特征在于，在ANSYS中仿真分析带有金属缠绕垫片的板式平焊钢制管法兰；采用顺序拧紧的方法得到各螺栓上残余预紧力与目标预紧力的比值；
取其整体的平均值为螺栓弹性交互作用区域总力与相邻螺栓残余预紧力之和的系数；由公式：
式中Fi,i+1为弹性交互作用区域相邻两个螺栓预紧力之和，B为弹性相互作用区域关联矩阵，为螺栓弹性交互作用区域刚度；
可知：
B＝0.135 (13)。
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