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1. 研究目的与意义
螺栓法兰连接紧密性的研究是容器、管道连接的关键所在，工作在高压环境下的法兰连接系统，垫片处于高应力状态，长期使用会使得法兰连接处出现磨损、损坏导致泄露、密封失效的不利情况发生。螺栓法兰以其构造简单、可靠性能优良的特点被广泛应用于工业领域。在连接面处，由于预紧力、内压、附加载荷等因素使得连接处状态较为复杂。国家也颁布了涉及螺栓法兰的相应标准与规范。研究结果表明，垫片上的应力分布不均匀，接触压力主要集中在靠近垫片外缘的1／4闭合环带处，随着温度的升高其密封闭合环带不断的变窄，垫片的接触压力降低，从而导致连接结构的泄漏。
螺栓法兰连接处的预紧力，要满足法兰接头在操作时不出现泄露，螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。
本论文旨在利用ansys，探讨预紧力及内压变化与螺栓法兰连接处应力的关系，从中明确预紧力和内压对螺栓法兰连接紧密性的影响。
2. 国内外研究现状分析
螺栓法兰连接是石油化工设备、容器和管道最常用的连接形式。垫片密封结构产生的泄漏是化工、动力装置常见的一种失效形式,不仅污染环境、浪费能源,甚至发展成为灾难性事故。容器、设备和管道压力、温度、介质腐蚀等苛刻条件;温度和压力的波动,垫片制造、安装带有经验性,都可能导致密封失效,造成泄漏。螺栓法兰连接件是石油化工领域一种重要的密封连接结构。由于各种工况的作用,接头处易发生泄漏,导致密封失效。2001年根据统计数据表明,所有泄漏事故中有17%发生在螺栓法兰连接的位置,由此可以看出螺栓法兰紧固对保证压力容器的安全运行有着很重要的作用。
由于螺栓法兰接头材料的几何非线性，传统的对螺栓法兰连接紧密性的研究一直缺乏可靠的理论设计和分析方法。国内外对此进行了大量的实验和理论研究，取得了一定进展。waters和hallhaylor分别于1929和1937年发表了论文管法兰的强度和螺栓法兰连接中的应力公式，形成了asme锅炉及压力容器规范中法兰的设计规则。
螺栓法兰连接紧密性的研究是容器、管道连接的关键内容,工作在内压及预紧力下的法兰连接系统,垫片处于高应力状态,长期服役会使得法兰连接件材质劣化,力学性能下降,在连接接头处易发生泄漏,导致密封失效。因此,螺栓法兰连接的紧密性分析的研究是当前的热点之一。通过数值模拟方法对高温稳态温度场及内压联合作用下法兰连接结构应力场、温度场、耦合场及系统刚度等问题进行了分析,探讨了不同温度及压力波动工况下密封性能的变化,并对其密封性能进行评估。利用有限元ansys软件建立了法兰连接系统的三维力学模型,并进行预紧工况和承压工况的有限元分析计算,得到其应力场分布和变形规律,承压下垫片上的应力减小,周向应力分布较均匀,径向应力分布不均。根据传热学理论建立法兰三维传热学模型,并进行其稳态温度场及热-结构耦合场的有限元计算,得到高温下温度场分布及稳态热应力分布,分析了法兰、垫片及螺栓在高温下的行为,耦合场中法兰各连接件应力普遍增大。同时对法兰连接系统进行刚度分析,得出法兰位移及转角的变化规律,并对 稳态温度场中法兰接头进行紧密性评估,得出在稳态温度场中法兰接头密封性可靠,八角垫片处于高屈服状态,长时间工作会使得垫片材质发生劣化,从而导致密封失效,为长期工作在一定内压和预紧力下的法兰连接系统失效原因提供可靠依据。
3. 研究的基本内容与计划
研究内容:
将应用ansys软件分析预紧力及内压对螺栓法兰连接紧密性的模拟，分析在不同几何参数和操作参数下螺栓连接特性，得出有益于工程实践的结论，为器械的设计和优化提供参考依据。
时间安排:
4. 研究创新点
无
