[发明专利]一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法

说明书

本发明公开了一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法，包括以下步骤：1)螺栓法兰结构输入参数确定：确定几何尺寸和材料参数，确定装配工艺参数；2)法兰连接弹性顺度参数求解：计算螺栓弹性顺度，计算法兰和密封垫片合成弹性顺度；3)每批次连接弹性交互作用力学模型建立；4)每批次连接逆序卸载载荷数值计算；5)两批次连接最优中间目标预紧力计算；6)每批次螺栓法兰连接初始预紧力获取。本发明可以实现不同装配顺序下螺栓法兰两批次拧紧策略初始预紧力参数的快速准确计算，消除载荷超程问题，减小连接载荷离散度水平，从而有效提升螺栓法兰连接的服役可靠性和性能保持性。

【技术领域】

本发明属于智能制造领域，涉及一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法。

【背景技术】

螺栓法兰连接结构被广泛应用于石油、化工、核电和航空航天等大型复杂机械装备之中，螺栓载荷大小直接决定着法兰连接结构的密封性能。在实际法兰安装过程中，后续螺栓预紧会对之前已拧紧螺栓连接载荷产生影响，并最终影响法兰连接载荷分布的均匀性，根据法兰和密封垫片材料、结构的不同，最终连接载荷水平差异有时高达90％以上，这将严重影响螺栓法兰连接结构密封性能的可靠性和保持性。因此，如何在装配阶段保障螺栓法兰连接载荷的水平和一致性一直是学界和业界关心的热点问题之一。

近年来，各国学者通过试验测试和有限元模拟方法，已基本实现了不同装配顺序下螺栓法兰连接最终载荷分布规律的预测，并且以连接载荷均布为目标，提出了基于弹性交互作用系数的单批次螺栓法兰连接工艺优化设计方法。然而，一方面，为了达到螺栓连接最终载荷水平的一致性，单批次优化后某些螺栓载荷势必会远远高于目标预紧力，甚至超过螺栓材料的屈服强度，严重影响了单批次优化方法的推广应用；另一方面，现有工艺优化方法基于试验测试和有限元模拟结果，无法实现多批次连接工艺优化设计中关键参数的循环迭代寻优。因此，有必须克服现有单批次连接工艺的局限，提出一种可消除载荷超程的多批次螺栓法兰连接工艺优化设计方法。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法，该方法通过计算装配过程中法兰连接结构的弹性顺度参数，构建两批次弹性交互作用模型，以载荷超程为目标函数，获得最优中间目标预紧力，以此为基础，再以载荷均布为目标函数，实现两批次拧紧策略下螺栓法兰初始预紧力参数的快速优化设计，从而有效消除装配过程中载荷超程问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法，括以下步骤：

步骤1：确定螺栓法兰结构输入参数；

步骤2：求解法兰连接弹性顺度参数；

步骤3：建立每批次连接弹性交互作用力学模型；

步骤4：计算每批次连接逆序卸载载荷数值；

步骤5：计算两批次连接最优中间目标预紧力；

步骤6：以步骤5获得的最优中间目标预紧力为第一批次目标预紧力，利用步骤3建立的每批次连接弹性交互作用力学模型，重复步骤4，逐一获得两批次拧紧策略下每批次螺栓法兰连接初始预紧力数值。

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：

步骤2-1：计算螺栓的弹性顺度C_b：