高压电器筒体法兰螺栓连接对筒体强度影响分析毕业论文.docx

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1、高压电器筒体法兰螺栓连接对筒体强度影响分析毕业论文1 .绪论1.1 承压容器的现状及发展趋势承压容器是以流程性材料（气体、液体、粉粒体等）的压力为基本载荷、应用广泛且有潜在泄漏和爆炸危险的特种设备，如锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道等。承压设备是石油化工、天然气化工和煤化工等过程工业的关键设备。没有安全可靠的承压设备,就不可能有先进的过程工业。止匕外,一些高新技术领域，如航空航天技术、能源技术、先进防御技术等,也离不开承压设备。因此，开展承压设备研究对国家安全、经济发展、人民生命财产安全和社会稳定都具有重要意义。随着科学技术的飞速发展，压力容器的发展也出现了新的发展趋势。1 .大型化与小型承

2、压设备相比,大型承压设备不但生产效率高,而且具有制造成本低、占地面积小、运行和维修费用低等优点。大型承压设备的投资大，介质的储存量大，一旦发生泄漏、爆炸等事故，会造成人员伤亡、重大经济损失和严重的环境污染，因此要求确保大型承压设备长周期、长寿命地安全可靠运行。2 .在高新技术中的应用越来越广信息技术、生物和现代农业技术、新材料、先进制造与自动化技术、能源技术和资源环境技术是国家高技术研究发展计划（863计戈IJ）确定的6个高技术领域。这些研究领域大都与承压设备学科有着紧密的关系。现以氢能和超临界流体技术为例加3 ,标准全球化为使承压设备安全可靠地运行，承压设备设计、制造、检验必须满足安全技术规

3、范的要求。为促进承压设备在欧盟范围内的自由贸易，消除贸易技术壁垒,尽可能在最广泛的工业领域内实施统一的技术法规，在相互标准认可的基础上,实现承压设备产品的全球自由贸易。4 .防止突发爆炸事故对承压设备提出更高的要求近年来，刑事犯罪呈现出动态化、组织化、职业化和智能化的发展趋势。为了防止突发性爆炸事故，给压力容器的设计制造提出了新的要求。5 .安全可靠性要求越来越高承压设备大多数是大型化连续生产，停产会造成巨大经济损失。此外,承压设备的服役条件千差万别，有高温、低温、深冷;有超高压、高压、中压、低压和真空等;有强酸、强碱、剧毒、易燃和易爆介质，因而一旦发生泄漏或爆炸事故,不仅造成经济损失,而且会

4、造成严重的环境污染。1. 2承压容器螺栓连接的质量要求承压容器与其它金属构件常采用螺栓连接，由于材料挤压强度不同，结构在承受较大载荷时,连接部位螺孔处的材料会发生挤压破坏,是该结构的主要破坏模式。评价螺栓连接质量在制造业中是很重要的问题，大多数企业都在装配工序后利用指示式扭矩扳手以抽检的方式对相关的螺纹副进行拧紧扭矩测试，以评价螺栓连接的质量，其间出现各种各样的情况是很正常的现象，但前提是执行的方法必须正确，这是处理问题、解决问题的基础。在这类螺纹副联接中，拧紧扭矩、螺栓的轴向预紧力及扭矩系数三者之间相互关联此消彼长。摩擦系数的减小导致了扭矩系数变小，在拧紧扭矩保持不变的情况下，必然将引起螺栓

5、轴向预紧力的增大。连接螺栓的断裂是因作用在其上的拉力轴向预紧力过大，超出了材料抗拉的强度造成的。若把摩擦系数视为常数，对于一个确定的螺栓轴向预紧力，它与拧紧力矩在理论上呈线性关系，但当轴向预紧力超过屈服点之后，随着拧紧力的增大，预紧力的增量将减少，甚至出现下降，因此，螺栓轴向预紧力与拧紧力之间的关系只有在螺栓预紧进入屈服状态之前才是线性的。事实上，在采用扭矩法这一拧紧工艺时，考虑到扭矩控制精度、摩擦系数散差、紧固件机械性能波动和制造精度等影响因素，螺栓轴向预紧力的最大值通常只设计在其屈服极限的70%以下，也就是说，螺栓连接是工作在材料的弹性区域内，因此，替代试验的对比测试值并不能说明扭矩法工况

6、下拧紧力矩与螺栓轴向预紧力间的真实比例关系，但还是指出了明确的趋势，而且提供了一种修正装配工艺后直截地评价改进效果的方法，以便于企业实施。要用实验方法测出真实状态下的摩擦系数值或螺栓受到的轴向拉力数值，在一般企业中不太可能，另外由于螺栓连接处在传递载荷、连接件的形态和边界条件等方面都比较复杂，用解析方法求解是难以胜任的,需要采用数值方法特别是可用有限元法来求解。本文以高压电器筒体的法兰螺栓连接为研究对象,应用ANSYS有限元软件分别建立了高压电器筒体和法兰与螺栓连接的有限元模型，在高压电器筒体最高使用压力及螺栓预紧力等载荷条件下对螺栓连接的结构强度进行数值模拟,给出了数值计算结果并对结果进行了

7、分析,并在此条件下对高压电器筒体进行了疲劳分析。1.3 ANSYS软件介绍ANSYS公司的ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、口用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括:结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变、有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单

8、进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在产品设计中，用户可以使用ANSYS有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率。它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一。ANSYS有限元分析软件具有强大的功能，其主要的技术特点为：唯一能实现多场及多场祸合分析的软件;唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA分析软件;唯一具有多物理场优化功能的FEA软件;唯一具有中文界面的大型通用有限元分析软件;具有强大的非线性分析功能;具有使用于不同的问题和硬件配置的多种求解器;支持异种异构功能网络浮动，在异利|、异构平台上支持界面统一，数据文件

9、通用；强大的并行计算功能，支持分布式并行和共享内存式并行;多种用户网格划分技术;完善的用户开发环境同时，ANSYS软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非有限元法、ANSYS及其二次开发技术辽宁工学院硕士论文线性问题，稳态和瞬态热分析及热结构藕荷问题，压缩和不可压缩的流体问题。其友好的图形界面和程序结构，交互式的前后处理和图形软件，大大地减轻了用户在实际工程问题中创建模型、有限元求解以及结果分析和评价的工作量。它的统一集中式的数据库保证了各模块之间的有效可靠的集成，并实现了与多个CAD/CAF软件的友好连接。1.4 ANSYS疲劳

10、分析企业的产品投放市场后，如果在耐久性方面出现问题将会造成许多新产品失去竞争力，给企业带来巨大的经济损失，同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。在中国，由于疲劳耐久性与可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在，是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。国际上，每年因结构疲劳的原因，大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。据统计，欧洲每年早期断裂造成的损失达800亿欧元，而美国每年早期断裂造成的损失达1190亿美元，其中9596是由于疲劳引起的断裂。而通过应用疲劳耐久性分析技术，其中的50%是可以避免的，因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。在传统的设计过

11、程中，设计人员在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命，而对这些估计寿命的验证通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到，不但试验周期长、耗资巨大，而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。因此对于产品疲劳寿命的仿真分析方法越来越受到产品设计人员的关注。可在物理样机制造之前用ANSYS进行疲劳分析和优化设计，真实地预测产品的寿命，实现等寿命周期设计。设计阶段的耐久性分析可以显著缩短产品推向市场的时间、提高产品可靠性，极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。本文应用ANSYS对有限元模型进行了疲劳分析，得出了高

12、压电器筒体的疲劳使用系数。1 . 5选题背景和意义筒体法兰是筒体系统连接中的关键部件，它对于筒体的安全有着重要的意义。筒体法兰在实际工作过程中要承受弯曲、扭转组合变形，同时由于高压筒体工作受力为对称循环，因此高压筒体进行工况下的受力分析及建模，对于结构的合理设计具有指导意义。1.6设计的主要工作1 .建立有限元分析模型；为了满足工程师快捷的解决复杂工程问题，ANSYS开发了与CAD软件（如PRO/ENGINEER、UG、SOLIDWORKS、AutoCAD）的数据接口，实现了数据交换。用户可以将用CAD完成的三维零件直接导入到ANSYS中进行网格划分并进行分析计算。高压电器筒体模型是一个中等复

13、杂程度的模型，在构造其三维实体模型时，会产牛.许多曲面造型,这就产生一个问题:用CAD软件（本人用的是PRO/ENGINEER和SOLIDWORKS）建立的三维模型在导入ANSYS时总是产生问题，无法显示或导致模型无法划分网格。而解决方法也比较复杂。ANSYS软件本身也提供了强大的建模功能，通过GUI操作，可以方便的交互式访问程序的各种功能和命令，虽然在构建圆弧面部分比较复杂，但模型建立后，可以直接进行后续操作，不会产生网格无法划分等问题。所以我采用直接用ANSYS建立模型。2 .进行有限元模型的静态分析在模型建立完成后，可以进行高压电器筒体的静态分析工（1）选择单元类型、定义材料属性（2）合

14、理设定模型网格（3）给模型添加约束（4）施加载荷并求解（5）查看结果并得出结论3 .进行有限元模型的疲劳分析疲劳分析是在模型进行有限元静态分析之后进行的。该高压电器筒体受循环载荷的影响，进行疲劳分析可以得出其疲劳使用系数。2 .前期计算2.1 预紧力的计算绝大多数螺纹在装配时都必须拧紧，使连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用。这个预加的作用力称为预紧力。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止连接件出现缝隙或发生相对滑移。经验表明：适当选用较大的预紧力对螺栓连接的可靠性及连接件的疲劳强度都是有利的，特别对于像气缸盖、管路凸缘、齿轮箱、轴承盖等紧密性要求较高的螺栓连接，预紧尤为重要。但

15、过大的预紧力会导致整个连接的结构尺寸增大，也会使连接件在装配或偶然过载时被拉断。因此，为了保证连接所需要的预紧力，又不使螺纹连接件过载，对重要的螺纹连接，在装配时要控制预紧力。通常规定：拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限6的80%o对于一般连接用的钢制螺栓连接预紧力Fo,推荐按下列关系确定：碳素钢螺栓Fo (0.60.7) 5 Ai合金钢螺栓Fo (0.50.6) 6 Ai式中：K螺栓材料的屈服极限；Ai螺栓危险截面的面积，Ai。血2/ 4预紧力的具体数值应根据载荷性质、连接刚度等具体工作条件确定。对于重要的或有特殊要求的螺栓连接，预紧力的数值应在装配图.上作为技术条件注明，以便在装配时加以保证。受变载荷的螺栓连接的预紧力应比受静载荷的大些。本设计中筒体端部法兰螺栓连接处螺栓选用碳素钢螺栓。屈服极限ox- =270Mpa螺栓截面尺寸 Ai=%/2/ 4=0.0000785 m2则螺栓预紧力 FoM (0.60.7) os Ai=0.6x 270x 106 x7.85x 1