法兰接头作为压力容器中一种常见的可拆性连接结构，在石油化工及其他工业部门中得到了广泛的应用。大多数中、低压压力容器及管道的密封、连接结构都采用法兰连接。随着工业的不断发展以及人们对于安全和环境的关注逐渐提高，对法兰接头在强度与紧密性的可靠性要求也不断提高。法兰连接作为一个整体主要由法兰、螺栓、螺母，筒体、封头等元件组成。传统法兰分析具有很大的挑战，主要难点有法兰接头中存在结构与材料等多种非线性，接头各元件之间存在相互作用，必须整体来分析，接头的强度分析和紧密性也必须结合起来分析。ANSYS软件提供了强大的非线性处理功能，对于接触问题中出现的非线性约束现象能很好的克服传统分析的弊病，本研究以某压力容器高颈法兰连接设备为分析对象，通过APDL建立其参数化有限元模型，并对其进行强度分析。
      容器所受内压为45MPG封头为椭圆形，高度h=225mm，筒体厚度t=24mm，直边段长度50mm，连接螺栓为M30，数量为48个，法兰的密封形式为凹凸面。上下法兰结构如图所示，模型尺寸如表所示。由于法兰接头是周期对称结构，利用其对称性，可以从整个法兰结构中取两个对称面截出的1/96接头结构来建立有限元模型。与下法兰环相连的筒体，根据圣维南原理，只需要取长度L=25，顶飞就可以消除筒体边缘处轴向应力分布对法兰处应力分布的影响，其中R为与法兰相连接的筒体的平均半径，伪筒体厚度3。其中对螺栓模型进行简化，不考虑螺纹影响，采用实体建模，由于模型较为复杂，采用APDL语言律立樟型。螺母、螺栓、上下法兰环和分别与法兰环相连的筒体及封头都选用单元，但各元件的单元有其不同的材料特性，各材料属性如表所示。垫片和上下法兰环之间的接触以及螺母和上下法兰环之间的接触采用面—面接触单元TARGE170和CONTA174来描述。接触面间相对滑动系数取为0.3，螺栓预紧情况的模拟采用螺栓预紧单元PRERSI7}由于法兰接头及内部结构较为复杂，为得到较好的精度网格，采用手动限制单元大小，各元件独立划分的方法设置网格，经过多次验算，表明该网格满足所需精度要求，网格如图所示。法兰接头涉及到2种工作工况，一种是压力容器所受的内压，另一种是给法兰接头所施加的螺栓预紧力。对于螺栓而言则主要受到拉力及弯矩载荷，本研究并不考虑到密封垫片，所以法兰接头所受到的螺栓预紧力不再是密封预紧力，而是螺栓工作载荷与残余应力之和，根据API规范，取为35kN在边界条件处理上，由于法兰接头在结构、载荷和约束上都具有周期性的轴对称性质，因此，在有限元模型的2个对称平面上施加对称约束，约束这2个平面上的节点周向位移，同时在与下法兰环相连接筒体的截断端施加面轴向固定约束。
      法兰在内压及螺栓预紧力2种工况下的受力情况如图所示，最大应力发生在上下法兰接触处外侧，最大应力值达到241MP、考虑到设备自重等因素，本文选取下法兰为研究对象，对该危险区域应力按照加载历史进行应力分类分析，如图所示。由图可以看出，最终总应力值达到许用应力的53.6。弯曲应力最终占总应力的32.4。图中载荷步是依据容器内压与螺栓等效压力之和来设定，螺栓与螺母接触强度如图所示，最大应力值发生在螺帽与螺柱相接触的地方，最大应力值达到398MPG，对该危险区域进行应力分析如图所示。由图可以得到，最终总应力值达到许用应力的520，弯曲应力占总应力的17.80。
      1)在容器内压4.5MPa及螺栓预紧力35kN的作用下，法兰接头最大应力发生在上法兰与螺母相接触的位置，最大应力达到241MPG弯曲应力占32.4，需要特别关注。并且在封头与法兰接头处由于不连续应力也存在较大的应力强度分布。
      2)螺栓由于受到轴向的拉应力，还受到弯曲力矩的作用，所以螺栓的应力强度在螺栓受拉力一侧最大，而且整体受力不均匀，发生弯曲变形，最大应力值达到398MPG，弯曲应力所占比重较小，为17.8。
      3)通过ANSYS软件对法兰接头作整体分析，介绍了一种分析法兰强度的可行性方法，克服了传统分析的不足，对于解决类似非线性约束问题具有一定借鉴意义。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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