CN116702378A - 螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法及系统，属于结构设计技术领域。本发明基于弹性板壳理论，按实际情况建立力学模型，并进行求解，计算得到各元件在结构突变区域的双向应力后，进行安定性评价，提高了螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的强度和密封刚度计算的精度，进而提高螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的工程设计水平。
Description
技术领域
本发明涉及结构设计技术领域，特别是涉及一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法及系统。
背景技术
压力容器广泛用于石油、化工、电力、煤化工、光热等行业。其中，平盖（又称为法兰盖）作为压力容器主要受压元件。按工艺或操作要求，有时需在平盖中心开孔，平盖开孔后由于结构变化需要进行强度计算，为了检修方便性，平盖与筒体之间往往采取螺栓垫片连接结构
平盖开孔后，导致强度和刚度被削弱。因此在开孔前，首先要进行强度计算，包括整体强度和因开孔边缘几何突变引起的应力集中。其次，由于平盖开孔后，影响平盖刚度，平盖垫片处偏转与开孔前不同，如果不进行计算，会影响密封效果，导致泄漏，往往开孔率越大，计算越复杂。
平盖设计中，最常用方法为GB/T 150中的半面积法，其基于材料力学计算，偏差较大，因此该方法仅限定在开孔率ρ≤0.5（开孔率为平盖的开孔直径与平盖外径之比）的平盖上使用，超过此开孔率借用反向法兰计算，而反向法兰力学模型与平盖开孔结构并不相同。因此，目前对于平盖开孔计算的强度计算问题存在局限性，计算结果粗糙。同时，目前设计方法中，缺乏平盖垫片处偏转的计算方法。随着石油化工装置大型化、加强voc（挥发性有机化合物）等有害物质泄漏防范和环境保护，该类平盖在开孔后的密封刚度设计需要科学合理的计算方法。
（一）现有技术情况
压力容器作为特种设备，平盖开孔补强依据标准GB/T 150.3的半面积法进行计算。半面积法靠保守设计，保证结构的一次承载下结构强度。
压力容器在工业生产中，由于水压试验、开车、停车、工艺波动等原因，设备载荷难免发生变化，设备载荷发生变化后，就应该进行安定性失效评价。现行标准中的半面积法只考虑一次加载失效问题，缺乏局部应力在多次加载时结构失去安定性的计算，因此半面积法无法判定结构能否在载荷变化下保持不发生安定失效。
其次，由于平盖开孔，平盖刚度会发生变化，周边密封处刚度能否满足密封要求，目前没有计算方法。
（二）当前现有方法目前存在问题
当前主要计算方法为半面积法，半面积法的力学模型是基于弯曲梁的等抗弯模量构建，半面积法机理为：平盖开孔前后开孔截面的抗弯截面模量不变，基于该机理，平盖开孔所需补强面积A与开孔削弱面积A0之比ke，随开孔率ρ的变化而变化，按半面积法计算结果与实际所需面积相比偏保守，开孔率越大，设计冗余越大，开孔率0.5时，设计冗余达17.2%。
实际螺栓连接结构，平盖周边约束在周边固支和周边简支之间。周边固支时，最大弯曲应力位于平盖周边，周边简支时，平盖最大弯曲应力位于平盖中心，按经典平盖计算，同一位置二者相差，/>为平盖在外半径处单位周长弯矩，/>为平盖有效厚度。而且，各半径处的计算厚度并不一致，而计算厚度直接影响按半面积法计算平盖的可用补强面积，导致计算结果与实际情况不符。
除计算模型本身的精度偏差之外，基于半面积法进行设计补强，存在以下问题：
（1）补强模型和实际设计方法本身就存在偏差，开孔率ρ越大，实际所需金属与半面积法要求的补强面积偏差越大，设计冗余也越大。
（2）开孔处由于结构突变存在局部应力，以材料力学为基础的半面积补强方法无法求得因结构突变产生的局部应力（该局部应力属于二次应力）。忽视二次应力评价即忽视了高应力区的安定失效问题。
（3）平盖开孔后，在内压下，平盖周边的偏转角对密封效果至关重要，但目前方法无法计算平盖开孔后偏转角，因此也就无法判断平盖开孔后是否满足密封要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法及系统，以提高螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的强度和密封刚度计算的精度和可靠性，进而提高螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的工程设计水平。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，所述方法包括如下步骤：
基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，包括接管、平盖、垫片、螺栓和法兰，所述平盖中心开孔；
初始化目标结构的结构参数；
根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力；
令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组；
求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力；
根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角；
基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件；
当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数，并返回根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力的步骤；
当满足安全条件时，输出目标结构的结构参数作为优化后的结构参数。
可选的，根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：
在预紧工况下，根据所述力学模型，计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：
；
；
其中，为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，/>为预紧工况下平盖外边缘垫片处的弯矩，/>为垫片压紧力作用中心圆直径，/>，，/>为预紧工况下平盖与法兰的螺栓力，/>为螺栓中心与垫片作用点之间的距离，/>为需要的螺栓总截面积，/>为实际选用的螺栓总截面积，为常温下螺栓材料的许用应力，/>为平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力，为预紧工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力；
在操作工况下，根据所述力学模型，计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：
；
；
其中，为操作工况下平盖外边缘垫片处的弯矩，/>，，/>为操作工况下垫片反力，b为垫片有效密封宽度，m为垫片系数，/>为计算压力，/>为操作工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力。
可选的，令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组为：
；
；
其中，为中间系数，/>，/>为接管材料的泊松比，/>为接管开孔内直径，/>为接管材料弹性模量，/>为平盖材料弹性模量，/>为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，/>为开孔率，/>，/>为垫片压紧力作用中心圆直径，/>为垫片压紧力作用中心圆半径，/>为目标单位周长径向力，Qn=QI=Q1，/>为目标单位周长弯矩，Mn=MI=M1，Qn和Mn分别为接管根部的单位周长径向力和单位周长弯矩，QI和MI分别为平盖开孔内缘处的单位周长径向力和单位周长弯矩，/>和/>为待求解量，/>为接管有效厚度，/>为平盖有效厚度，/>为计算压力；/>为平盖旋转刚度，/>，/>为平盖材料的泊松比，/>、/>、/>和/>均为平盖柔度系数，/>为平盖在开孔半径处单位周长轴向力。
可选的，根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力/>和垫片处平盖偏转角/>分别为：
；
；
；
；
其中，为接管根部局部经向应力，/>为平盖内缘径向应力，/>为平盖内缘周向应力，/>为垫片处平盖偏转角，/>为平盖在开孔半径处单位周长轴向力，/>为目标单位周长弯矩，/>为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，/>为目标单位周长径向力，/>为接管有效厚度，/>为平盖有效厚度，/>为开孔率，/>、/>、/>和/>均为平盖载荷系数，/>，/>，/>，/>均为平盖柔度系数，/>为计算压力，/>为平盖外缘计算半径，，/>为垫片压紧力作用中心圆直径，/>为平盖旋转刚度。
可选的，所述安全条件为：
且/>且/>；
其中，为接管根部局部经向应力，/>为平盖内缘径向应力，/>为平盖内缘周向应力，/>为垫片处平盖偏转角，/>为设计温度下接管材料的许用应力，/>为设计温度下平盖材料的许用应力，/>为许用转角。
可选的，更新目标结构的结构参数的方式为：
当公式或/>不成立时，增加接管厚度或平盖厚度；
当公式不成立时，增加平盖厚度；
其中，为接管根部局部经向应力，/>为平盖内缘径向应力，/>为平盖内缘周向应力，/>为垫片处平盖偏转角，/>为设计温度下接管材料的许用应力，/>为设计温度下平盖材料的许用应力，/>为许用转角。
一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计系统，所述系统应用于上述的方法，所述系统包括：
力学模型构建模块，用于基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，包括接管、平盖、垫片、螺栓和法兰，所述平盖中心开孔；
参数初始化模块，用于初始化目标结构的结构参数；
第一载荷计算模块，用于根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力；
二元线性方程组转化模块，用于令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组；
第二载荷计算模块，用于求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力；
应力计算模块，用于根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角；
安全判断模块，用于基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件；
参数更新模块，用于当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数，并返回第一载荷计算模块；
结构参数输出模块，用于当满足安全条件时，输出目标结构的结构参数作为优化后的结构参数。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例提供一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法及系统，所述方法包括如下步骤：基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，包括接管、平盖、垫片、螺栓和法兰，所述平盖中心开孔；初始化目标结构的结构参数；根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力；令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组；求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力；根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角；基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件；当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数。本发明基于弹性板壳理论，按实际情况建立力学模型，并进行求解，进而计算得到各元件在结构突变区域的双向应力后，进行安定性评价，提高了螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的强度和密封刚度计算的精度，进而提高螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的工程设计水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的平盖周边螺栓垫片连接的平盖中心开孔结构图；
图3为本发明实施例提供的力学模型示意图。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法及系统，以提高螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的强度和密封刚度计算的精度和可靠性，进而提高螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的工程设计水平。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤101，基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，如图2所示，螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构包括：接管1、平盖2、垫片3、螺栓4和法兰5，所述平盖中心开孔，其中，接管有效厚度δet、平盖有效厚度δep，为接管开孔内直径。
本发明实施例的力学模型中，将接管和平盖之间相互作用通过剪力和弯矩力素进行等效。接管根部的等效力素为径向力（即接管根部的单位周长径向力Qn）、轴向力（即接管根部的单位周长轴向力Vn）和弯矩（即接管根部的单位周长弯矩Mn）；平盖开孔内缘处由于接管的约束，等效力素为径向力（即平盖开孔内缘处的单位周长径向力QI）、轴向剪切力VI（即平盖在开孔半径处单位周长轴向力VI）和弯矩（即平盖开孔内缘处的单位周长弯矩MI）；平盖在其外缘（作用点）处受法兰、垫片、螺栓等联合作用，等效力素为轴向剪切力（即平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力VG）和弯矩（即平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩MG）表示，由于垫片的弹性作用，假设平盖外缘垫片处的单位周长径向力QG=0，所述力素的方向见图3，其中p为作用于接管上的力。
在上述力素的作用下，各元件会在边缘处产生转角和位移。接管根部的径向位移Dn和偏转角βn；平盖内缘的径向位移DI和偏转角βI，平盖外缘的径向位移DGG和偏转角（即垫片处平盖偏转角βG），参见图3。
步骤102，初始化目标结构的结构参数。
首先按标准GB/T 150-2011首先计算接管、平盖开孔前的名义厚度，依据接管、平盖开孔前的名义厚度，按标准GB/T150.3-2011规定计算接管有效厚度δet、平盖有效厚度δep。
步骤103，根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力。
(1) 预紧工况
预紧工况没有内压，属于设备安装时的工况，即取计算压力pc=0。如图3所示，计算载荷包括：螺栓力Fb，垫片作用力FG，平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩MG和单位周长轴向剪切力VG。预紧工况下所述符号分别用下标(A)标识，即：Fb（A），FG（A），MG（A）和剪力VG（A）。
预紧工况下平盖与法兰的螺栓力Fb（A）按式（1）计算，预紧工况下平盖外边缘垫片处的弯矩按式（2）计算。
（1）
（2）
上式中，为需要的螺栓总截面积，mm2，按GB/T 150.3-2011中7.5.2.3计算；为实际选用的螺栓总截面积，mm2，按GB/T 150.3-2011中规定，依据螺栓根径计算；为常温下螺栓材料的许用应力，MPa，按GB/T 150.2-2011查取；/>为螺栓中心与垫片作用点之间的距离，mm。
此时，平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩MG按式（3）计算。
（3）
上式中，为垫片压紧力作用中心圆直径，mm。按GB/T 150.2-2011计算。
平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力VG按式（4）进行计算。
（4）
其中，为预紧工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力。
(2) 操作工况
操作工况为设备运行工况。
如图3所示，计算载荷包括：垫片作用力FG，平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩MG和单位周长轴向剪切力VG。操作工况下的所述符号分别用下标(o)标识，即：FG（o），MG（o）和剪力VG（o）。
操作工况下垫片反力按式（5）计算。
（5）
其中，b为垫片有效密封宽度，mm，根据所选垫片按GB/T 150.3计算；m为垫片系数，按标准GB/T 150.3-2011选取或者通过试验实测得到。
操作工况下平盖外边缘垫片处的弯矩按式（6）计算。
（6）
操作工况下，平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩MG按式（7）计算。
（7）
操作工况下，接管承受轴向力F外，则平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力VG，按式（8）进行计算。
（8）
其中，为操作工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力。
步骤104，令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组。
本发明实施例中，首先依据经典板壳理论，按照图3中的力学模型，首先分别求得接管、平盖相接处的位移和偏转角。
（1）接管在上述边界条件下的位移方程。
接管根部的径向位移按式（9）计算，接管根部的偏转角按式（10）计算。
(9)
(10)
其中，为中间系数，/>，/>为接管材料的泊松比，/>为接管开孔内直径，/>为接管材料弹性模量，/>为接管有效厚度，Qn和Mn分别为接管根部的单位周长径向力和单位周长弯矩。
（2）平盖开孔后，平盖内缘的径向位移DI和平盖外缘的径向位移DGG，分别按式（11）和式（12）计算。
(11)
(12)
其中，为开孔率，/>为垫片压紧力作用中心圆半径，/>为平盖材料弹性模量，为平盖有效厚度。
平盖内缘的偏转角βI和垫片处平盖偏转角βG，分别按式（13）和式（14）计算。
(13)
(14)
其中，为垫片压紧力作用中心圆半径，/>为平盖旋转刚度，/>、/>、/>、、/>、/>、/>、/>均为平盖柔度系数。
根据图3中的力和力矩相互作用关系，引入了两个未知量目标单位周长径向力Q1、目标单位周长弯矩M1，并有Q1=Qn=QI，M1=Mn=MI。通过将上述两个未知数代入公式(10)~(14)，并根据平盖和接管相接处的位移和旋转协调关系求解未知量。
由Dn=DI，由式（9）和式（11），可得式（15）
(15)
由βn=βI，由式（10）和式（13），可得式（16）
(16)
步骤105，求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力。
操作工况下，预紧工况下/>。
，/>，/>，/>是平盖柔度系数，按JB4732计算。
，/>，/>。
其中，为平盖材料的泊松比。
由式（15）和式（16），联立方程组可求解得Q1、M1，并有Qn=QI= Q1，Mn=MI= M1。
步骤106，根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角。
（1）计算接管根部局部经向应力。
接管根部局部经向应力按式(17)计算。
（17）
（2）计算平盖总应力，包括平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力/>。
平盖内缘径向应力按式(18)计算。
（18）
平盖内缘周向应力按式(19)计算，上面符号用于内壁，内壁应力为控制值。
（19）
其中，、/>、/>和/>均为平盖载荷系数。
(3) 依据式（20），计算垫片处平盖偏转角，并满足刚度要求。
（20）
为许用转角，由设计者规定，一般不大于1/3°。
步骤107，基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件。
步骤108，当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数，并返回根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力的步骤。
步骤109，当满足安全条件时，输出目标结构的结构参数作为优化后的结构参数
本发明实施例中的步骤107-步骤109，基于如下方式实现：
首先判断公式是否成立，如果/>，增加接管厚度或者平盖厚度，直至满足要求/>，/>为设计温度下接管材料的许用应力。
然后，对于平盖内缘径向应力，平盖内缘周向应力/>，按JB4732标准进行安全评价，即同时满足条件：/>，/>为设计温度下平盖材料的许用应力。
如果或者/>，增加接管厚度或者平盖厚度，直至满足/>且/>。
按公式(20)的计算结果，如果满足许用转角，则平盖刚度设计合格，否则应增加平盖厚度，直至合格。
实施例2
本发明实施例2提供一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计系统，所述系统应用于上述的方法，所述系统包括：
力学模型构建模块，用于基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，包括接管、平盖、垫片、螺栓和法兰，所述平盖中心开孔。
参数初始化模块，用于初始化目标结构的结构参数。
第一载荷计算模块，用于根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力。
二元线性方程组转化模块，用于令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组。
第二载荷计算模块，用于求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力。
应力计算模块，用于根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角。
安全判断模块，用于基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件。
参数更新模块，用于当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数，并返回第一载荷计算模块。
结构参数输出模块，用于当满足安全条件时，输出目标结构的结构参数作为优化后的结构参数。
实施例3
本发明实施例3提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。
实施例4
本发明实施例4提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的方法。
为了说明本发明实施例提供的技术方案的效果，本发明还提供了如下算例。
先以工程案例来体现实际计算效果。平盖公称直径为DN1800，压力pc=1.0MPa，几何参数见表1。
表1 几何参数表
| 参数 | 平盖外直径（mm） | 平盖厚度（mm） | 螺栓中心圆直径（mm） | 垫片压紧力作用中心圆直径（mm） | 垫片系数m | 垫片比压力y | 螺栓直径M；螺栓数量X |
| 数值 | 1970 | 100 | 1915 | 1837.4 | 3 | 69MPa | M：27；X：56 |
| 参数 | 接管外径（mm） | 接管壁厚（mm） | 接管材料 | 平盖材料 | 接管材料许用应力 | 平盖材料许用应力 | |
| 数值 | 700 | 32 | Q345R | 16Mn | 181 | 178 |
平盖开孔前壁厚80mm，开孔后按当前半面积法计算需要100mm，且接管壁厚为38mm。
依据上述参数，按本发明计算后应力结果见表2，表2中的算例1为采用半面积法对目标结构的结构参数进行优化计算，算例2为采用本发明实施例提供的方法对目标结构的结构参数进行优化计算。
算例1中，按JB4732标准判定，应该满足/>=181×3=543；=267。按半面积法设计的结构用本发明评定，强度合格。按本发明计算后的密封面处转角（垫片处平盖偏转角βG）为0.316°，未超出一般设计要求的0.33°。
算例1按本发明虽然设计合格，但平盖开孔后较原来80mm厚增加到100mm。依据本发明可进行设计优化即算例2，将平盖厚度减薄至92mm（减轻159kg），接管厚度从32mm(103kg)改为48mm（154kg）增重51kg，降低接管根部应力，结构节约材料108kg，但强度和密封刚度仍然满足要求，计算结果见表2。算例2由于是密封刚度控制，如果强度控制，轻量化效果更明显。
表2 优化结果对比表
基于上述实施例本发明的技术方案的有益效果为：
（1）本发明基于弹性板壳力学理论，按实际情况建立力学模型，并进行求解，进而计算得到各元件在结构突变区域的双向应力后，按照相关标准实现局部应力的安定性评价。
（2）依据本发明的计算方法，还可以对高应力区进行优化设计，较平盖加厚的方法更经济。
（3）本发明由于基于弹性板壳力学理论，可以不受开孔率的限制，可以进行大开孔率的设计计算。
（4）本发明基于预紧工况、操作工况分别计算螺栓垫片的约束影响，并将该影响计入平盖开孔结构的强度和周边密封刚度影响，给出计算方法。
总之，依据本发明，可以完整的考虑操作工况和预紧工况下强度计算和密封刚度计算，并突破开孔率ρ≤0.5范围限制，较传统设计方法更具设计优化潜力，适用于当今高参数化设备安全、节能和环保设计需求，有效提高工程设计水平。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，包括接管、平盖、垫片、螺栓和法兰，所述平盖中心开孔；
初始化目标结构的结构参数；
根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力；
令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组；
求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力；
根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角；
基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件；
当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数，并返回根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力的步骤；
当满足安全条件时，输出目标结构的结构参数作为优化后的结构参数。
2.根据权利要求1所述的螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：
在预紧工况下，根据所述力学模型，计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：
；
；
其中，为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，/>为预紧工况下平盖外边缘垫片处的弯矩，/>为垫片压紧力作用中心圆直径，/>，，/>为预紧工况下平盖与法兰的螺栓力，/>为螺栓中心与垫片作用点之间的距离，/>为需要的螺栓总截面积，/>为实际选用的螺栓总截面积，为常温下螺栓材料的许用应力，/>为平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力，为预紧工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力；
在操作工况下，根据所述力学模型，计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：
；
；
其中，为操作工况下平盖外边缘垫片处的弯矩，/>，，/>为操作工况下垫片反力，b为垫片有效密封宽度，m为垫片系数，/>为计算压力，/>为操作工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力。
3.根据权利要求1所述的螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组为：
；
；
其中，为中间系数，/>，/>为接管材料的泊松比，/>为接管开孔内直径，/>为接管材料弹性模量，/>为平盖材料弹性模量，/>为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，/>为开孔率，/>，/>为垫片压紧力作用中心圆直径，/>为垫片压紧力作用中心圆半径，/>为目标单位周长径向力，Qn=QI=Q1，/>为目标单位周长弯矩，Mn=MI=M1，Qn和Mn分别为接管根部的单位周长径向力和单位周长弯矩，QI和MI分别为平盖开孔内缘处的单位周长径向力和单位周长弯矩，/>和/>为待求解量，/>为接管有效厚度，/>为平盖有效厚度，/>为计算压力；/>为平盖旋转刚度，/>，/>为平盖材料的泊松比，/>、/>、/>和/>均为平盖柔度系数，/>为平盖在开孔半径处单位周长轴向力。
4.根据权利要求1所述的螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力/>、平盖内缘周向应力/>和垫片处平盖偏转角/>分别为：
；
；
；
；
其中，为接管根部局部经向应力，/>为平盖内缘径向应力，/>为平盖内缘周向应力，/>为垫片处平盖偏转角，/>为平盖在开孔半径处单位周长轴向力，/>为目标单位周长弯矩，/>为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，/>为目标单位周长径向力，/>为接管有效厚度，/>为平盖有效厚度，/>为开孔率，/>、/>、/>和/>均为平盖载荷系数，，/>，/>，/>均为平盖柔度系数，/>为计算压力，/>为平盖外缘计算半径，，/>为垫片压紧力作用中心圆直径，/>为平盖旋转刚度。
5.根据权利要求1所述的螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，所述安全条件为：
且/>且/>；
其中，为接管根部局部经向应力，/>为平盖内缘径向应力，/>为平盖内缘周向应力，/>为垫片处平盖偏转角，/>为设计温度下接管材料的许用应力，/>为设计温度下平盖材料的许用应力，/>为许用转角。
6.根据权利要求1所述的螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，更新目标结构的结构参数的方式为：
当公式或/>不成立时，增加接管厚度或平盖厚度；
当公式不成立时，增加平盖厚度；
其中，为接管根部局部经向应力，/>为平盖内缘径向应力，/>为平盖内缘周向应力，/>为垫片处平盖偏转角，/>为设计温度下接管材料的许用应力，/>为设计温度下平盖材料的许用应力，/>为许用转角。
7.一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计系统，其特征在于，所述系统应用于权利要求1-6任一项所述的方法，所述系统包括：
力学模型构建模块，用于基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，包括接管、平盖、垫片、螺栓和法兰，所述平盖中心开孔；
参数初始化模块，用于初始化目标结构的结构参数；
第一载荷计算模块，用于根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力；
二元线性方程组转化模块，用于令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组；
第二载荷计算模块，用于求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力；
应力计算模块，用于根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角；
安全判断模块，用于基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件；
参数更新模块，用于当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数，并返回第一载荷计算模块；
结构参数输出模块，用于当满足安全条件时，输出目标结构的结构参数作为优化后的结构参数。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述的方法。
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