石油化工设备

对非标法兰进行应力分析的评定问题
                                作者：蒋洪波 QQ:469487338
                               欢迎进群讨论：369290150

法兰的应力分析，对于初学者而言，最好完整建模，模型包括两配对法兰和垫片、螺柱、螺母，我们此次讨论的重点是：应力评定时，对应力的限制问题，故简化模型，法兰密封所需预紧力由SW6计算得出；两法兰尺寸如下：

图1 下法兰与壳体的连接结构参数



图2 上法兰与壳体的连接结构参数


用Solidworks建模并导入ansysworkbench 16.0中，材料参数如下：

材料在计算工况下的力学性能参数
材料        温度℃        弹性模量E        泊松比ν        许用应力        屈服强度
S30408锻件        20        186(GPa)        0.3        137 MPa        205 MPa
        200        183(GPa)        0.3        96MPa        144 MPa
S30408板材        20        186(GPa)        0.3        137 MPa        205 MPa
        200        183(GPa)        0.3        130MPa        144 MPa


上下法兰的三维模型如下：
  

采用solid186单元进行网格划分：

图3 网格划分模型

图4 网格划分模型
设置边界条件如下：

图5 边界设置及载荷加载


图6 边界设置及载荷加载
然后求解如下：

图7 应力云图

图8 应力云图

这里我们只针对危险截面处作如下线性化路径：

图9 Path1路线图


图10 Path1路线图
下法兰（带凹槽）线性化路径上的等效应力：

表1

Length [mm]        Membrane [MPa]        Bending [MPa]        Membrane+Bending [MPa]        Peak [MPa]        Total [MPa]
0.        49.214        323.46        320.19        159.42        479.6
0.12654                309.99        306.87        87.552        394.31
0.25308                296.51        293.57        69.33        362.57
0.37963                283.03        280.29        51.485        331.02
0.50617                269.55        267.03        34.294        299.66
0.63271                256.08        253.79        19.046        268.49
0.75925                242.6        240.58        12.985        240.29
0.8858                229.12        227.39        12.961        222.12
1.0123                215.64        214.25        14.794        203.97
1.1389                202.16        201.15        17.962        185.85
1.2654                188.69        188.1        21.928        167.78
1.392                175.21        175.12        26.367        149.78
1.5185                161.73        162.21        28.014        135.
1.645                148.25        149.41        29.022        121.11
1.7716                134.78        136.74        30.102        107.45
1.8981                121.3        124.24        31.25        94.083
2.0247                107.82        111.97        32.463        81.151
2.1512                94.344        100.        32.897        69.616
2.2778                80.866        88.478        32.102        60.063
2.4043                67.388        77.583        31.344        51.763
2.5308                53.911        67.625        30.631        45.388
2.6574                40.433        59.08        29.971        41.804
2.7839                26.955        52.64        29.373        41.716
2.9105                13.478        49.141        27.611        45.015
3.037                2.9591e-012        49.214        25.873        50.692
3.1636                13.478        52.844        24.188        58.04
3.2901                26.955        59.383        22.575        66.494
3.4166                40.433        67.995        21.058        75.674
3.5432                53.911        77.998        19.179        85.27
3.6697                67.388        88.923        17.041        95.128
3.7963                80.866        100.47        15.033        105.2
3.9228                94.344        112.45        13.228        115.42
4.0493                107.82        124.73        11.736        125.75
4.1759                121.3        137.24        10.549        136.22
4.3024                134.78        149.92        9.1401        147.02
4.429                148.25        162.72        8.4919        157.88
4.5555                161.73        175.63        8.7995        168.78
4.6821                175.21        188.61        9.9968        179.7
4.8086                188.69        201.66        11.835        190.65
4.9351                202.16        214.77        13.454        202.28
5.0617                215.64        227.91        15.396        214.15
5.1882                229.12        241.1        17.736        226.04
5.3148                242.6        254.31        20.354        237.95
5.4413                256.08        267.55        23.169        249.88
5.5679                269.55        280.82        25.963        262.27
5.6944                283.03        294.1        28.715        275.56
5.8209                296.51        307.4        31.76        288.87
5.9475                309.99        320.71        35.038        302.2
6.074                323.46        334.04        38.503        315.55






上法兰线性化路径上的等效应力：
表2

Length [mm]        Membrane [MPa]        Bending [MPa]        Membrane+Bending [MPa]        Peak [MPa]        Total [MPa]
0.        43.825        270.58        281.34        109.29        386.96
0.12883                259.31        270.2        84.483        352.27
0.25767                248.03        259.08        62.337        319.71
0.3865                236.76        247.97        47.636        294.13
0.51533                225.48        236.88        33.135        268.84
0.64416                214.21        225.8        18.812        243.82
0.773                202.93        214.75        4.7104        219.07
0.90183                191.66        203.71        2.7894        201.41
1.0307                180.39        192.71        8.1413        184.76
1.1595                169.11        181.74        13.72        168.17
1.2883                157.84        170.81        19.318        151.64
1.4172                146.56        159.93        24.211        135.87
1.546                135.29        149.11        25.684        123.56
1.6748                124.02        138.35        27.156        111.31
1.8037                112.74        127.69        28.63        99.165
1.9325                101.47        117.14        30.111        87.131
2.0613                90.193        106.74        30.62        76.236
2.1902                78.919        96.543        29.993        66.721
2.319                67.645        86.607        29.361        57.566
2.4478                56.371        77.04        28.727        48.955
2.5767                45.097        67.999        28.097        41.213
2.7055                33.822        59.722        26.653        35.616
2.8343                22.548        52.572        24.948        32.238
2.9632                11.274        47.065        23.25        31.45
3.092                1.5181e-013        43.825        21.566        33.417
3.2208                11.274        43.363        19.881        37.707
3.3497                22.548        45.764        17.725        43.71
3.4785                33.822        50.621        15.597        50.631
3.6073                45.097        57.314        13.521        58.137
3.7362                56.371        65.28        11.536        66.022
3.865                67.645        74.109        9.6186        74.251
3.9938                78.919        83.53        7.7308        82.815
4.1226                90.193        93.362        6.1995        91.487
4.2515                101.47        103.49        5.3655        100.24
4.3803                112.74        113.83        5.5754        109.04
4.5091                124.02        124.34        6.3589        118.25
4.638                135.29        134.96        7.5674        127.71
4.7668                146.56        145.69        9.1862        137.19
4.8956                157.84        156.49        11.05        146.68
5.0245                169.11        167.36        13.064        156.19
5.1533                180.39        178.27        14.437        166.61
5.2821                191.66        189.23        15.918        177.11
5.411                202.93        200.23        17.536        187.62
5.5398                214.21        211.25        19.267        198.14
5.6686                225.48        222.3        20.886        208.96
5.7975                236.76        233.37        21.953        220.87
5.9263                248.03        244.45        23.247        232.79
6.0551                259.31        255.56        24.741        244.72

表3下法兰危险路径的应力评定
路径        应力分类        应力值        评定        结论
Path1        局部薄膜应力        49.214        <1.5×130        合格
        局部薄膜+弯曲应力        334.04        <3×130        合格
   
表4上法兰危险路径的应力评定
路径        应力分类        应力值        评定        结论
Path1        局部薄膜应力        43.825        <1.5×130        合格
        局部薄膜+弯曲应力        281.3        <3×130        合格
   
以上是法兰的简化模型在workbench中的处理结果，然则，你有没有考虑这样评定是否具有局限性，表3和表4中，虽然局部薄膜应力、局部薄膜+弯曲应力分别小于1.5倍和3倍的设计应力强度，但是针对图7和图8中的总应力云图，下法兰和上法兰的最大等效应力分别是：488.04 MPa ,  393.07 MPa.
针对这个问题，笔者有以下几点思考：
1，该最大等效应力虽然出现在结构中，但是均发生的部位是法兰与筒体的焊缝角点处，此处为结构不连续（虽然采用了圆滑过渡），故此处的应力为S’=局部薄膜应力+二次应力+峰值应力；
2，按照JB4732-1995(2005确认版)规定，峰值应力对结构疲劳产生影响，此处的应力水平高于材料的屈服极限强度，属于高应力低周疲劳（E-N），此处是法兰与筒体的连接处，无较大的压力和温差波动及其他机械载荷的影响，故不记及疲劳的影响。
3，此处的应力需要进行控制吗，我的理解是应该需要，S’的应力水平已经超过材料屈服强度极限，这就意味着此高应力点处已经产生了塑性变形，局部发生屈服，再看通过该点的法线路径等效应力，其平均应力小于材料的设计应力强度；再者，S’最大值为488.04MPa,
材料的抗拉强度为520Mpa,说明了最高应力处不会发生断裂。
    4，此处应该注意：法兰和筒体连接处的制造检验要求不得低于JB4732-1995的规定。

说明：此篇不是应力分析报告，借此想表达出自己在应力分析过程中遇到问题的疑问和思考，欢迎各位指正。
                                欢迎进QQ群讨论： 369290150

一直想学workbench  安装了 也买书了 但学不进去

这种复制粘贴还不全的帖子 有意思吗

建议以附件方式上传

对这样看不清楚

这样看着确实有点花