[发明专利]一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法

权利要求书

1.一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法,其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1:建立有限元模型

标准管道系统包括管道、法兰、螺栓、螺母和垫片；根据HG/T20592～20635―2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》，选用管道为钢管，法兰类型为带颈平焊钢制管法兰，法兰规格是PN2.5/DN150，密封面形式为突面，垫片类型为内含石墨的金属缠绕垫片，螺柱类型为等长双头螺柱，螺柱的尺寸根据标准GB901―88确定，螺母尺寸根据GB/T6170―2016确定；根据法兰几何结构图和尺寸先建立三维模型；

步骤2:螺栓预紧力范围的计算

(1)螺栓强度；

拧紧后螺栓连接件预紧应力不能大于其材料屈服点的80％；

(2)垫片压缩强度；

在任何工况下，垫片应力都不允许超过垫片压缩强度；

(3)垫片预紧比压；

预紧状态下，最小螺栓载荷W_a应不小于压紧垫片所需要的最小压紧载荷F_a；最小螺栓载荷计算公式为：

W_a＝3.14D_Gby

式中：D_G—垫片压紧力作用中心圆直径；b—垫片有效密封宽度；y—垫片预紧比压；

每根螺栓的最小预紧力F计算公式为：

F＝_a/n

式中：n—法兰连接中螺栓连接个数；

(4)垫片系数；

在操作工况下，为达到密封要求，垫片接触应力应满足：

σ≥mp

式中：σ—垫片接触应力；m—垫片系数；p—介质压力，

综合考虑螺栓强度、垫片压缩强度和垫片预紧比压，可得到螺栓预紧力范围；

步骤3:螺栓预紧力计算

在管道没有受到自重和其他因素的影响下，通过施加均匀的螺栓预紧力，获得均匀的垫片应力分布；此时获得的外半径的垫片应力值作为后面垫片迭代的目标应力值；

对螺栓预紧力进行修正，以补偿外部失调载荷，此时垫片受力分布没有恢复均匀；如果首次预紧力的调节在步骤2计算的范围外，预紧力计算偏大按预紧力范围的最大值设置；如果偏小，则按预紧力范围的最小值设置；

确定每个螺栓中的螺栓预紧力初始变化的公式如下：

其中i为螺栓序号，n为螺栓的个数，M为弯矩，F_A为轴向载荷，R为半径，θ为螺栓的角度位置，F_m为修正刚度因子；

将受到自重影响的连接处的垫片应力作为初始第一组垫片数据，经过上述得到的螺栓预紧力变化和重新得到有限元分析后的垫片应力作为第二组数据，迭代过程就通过下面公式开始；

通过不断的反馈垫片应力调节螺栓预紧力；经过一系列的迭代过程后，得到一组更接近目标垫片应力值所对应的螺栓预紧力；其中j为迭代的次数，Gs为垫片的应力，P为螺栓预紧力，Gs_target为垫片目标应力值；迭代按上述公式进行，直到达到预期误差范围允许。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的架空管道螺栓预紧力设计方法,其特征在于，在每次的迭代过程中，都需要确定所调节的螺栓预紧力都在步骤2所计算的范围内。