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简述容器连接系统刚性研究的数据措施

  以常规的轴对称有限元计算为基础,提出综合分析容器连接系统刚性的矩阵方法。根据此方法编制的专用计算机程序,可以模拟整个容器连接系统予紧过程和各种加压工况下系统的变形,螺栓与法兰的应力及垫片的受力状态和应力大小随荷载变化的情况,以及研究包括几何尺寸、结构特征、垫片材质和垫片位置等诸多因素对容器连接系统工作性能的影响。方法原理,法兰连接系统,由端盖法兰、垫片、螺栓和容器法兰组成一有机整体,它们各自的变形必须满足总体变形的协调关系,1、2、3分别表示端盖法兰点A处、容器法兰点B处及螺栓AB间的相对位移。1――端盖法兰;2――容器法兰;3――螺栓、螺帽;4――密封垫片上述各位移分量与容器的操作压力P,螺栓轴力N,弯矩M,剪力Q及螺栓予紧初始条件C的关系可通过柔度矩阵[Aij]建立如下UiViHi=[Aij]PNMQC(2)[Aij]uipuiNuiMuiQuiCviPviNviMviQviCHiPHiNHiMHiQHiC(3)(i=1,2,3j=P,N,M,Q,C)柔度矩阵[Aij]中各元素,可理解为单位广义力(P,N,…)作用下的广义位移(uip,uin,…),即为相应的柔度系数。对于容器的端盖法兰,容器法兰可按常规的轴对称有限元法分别计算各个单位广义力作用下所产生的广义位移(uIP,uIN…,u2P,u2N,…)。螺栓的柔度系数可按杆件受拉,受弯的变形公式计算其柔度系数(u3N,u3M,…),至于螺栓在单位操作压力作用下的广义位移可按容器法兰的转角H2p间接求得为u3P=1H2p,其中1为螺栓工作部分长度,其余柔度系数v3p,H3p为零。Fig.3Free-bodydiagramofallpartsinconnectingsystem将式(2)代入式(1),为计算方便,可先假设C=1则:uijvijHijPNMQI=u2jv2jH2jPNMQI u3jv3jH3jPNMQI(4)式中u1j=[u1Pu1Nu1Mu1Qu1C]等表示柔度矩阵[Aij]的行矢量。由式(4)经矩阵变换可得到N,M,Q为未知量的代数方程组u1N-u2N-u3N(uiM)(uiQ)(viN)viM-v2M-v3M(viQ)(HiN)HiMH1Q-H2Q-H3Q)NMQ=-P(u1P-u2P-u3P)-(u1C)-P(v1P-v2P-v3P)-(v1C)-P(H1P-H2P-H3P)-(H1C)(5)式中(uiM)=u1M-u2M-u3M…等。若式(5)中u1N,u2N等柔度系数已由前述按有限元等法求得。现须进一步确定螺栓予紧状态参数(uiC),(viC),(HiC)的值,再由操作压力P求出N,M,Q值。螺栓予紧状态参数(uiC)等,取决于螺栓予紧时的初始条件,一般可根据压力容器中选用势片材质,按垫片规格中的比压值,计算出螺栓上Mi,Qi值由式(1)的变形协调条件得出。假设螺栓予紧时其轴向位移△L,则式(1)可写成:U1V1H1=U2V2H2 U3V3H3 0$l0(6)采用相应的柔度矩阵,并进行类似的矩阵变换后即得:u1M-u2M-u3M0(u1Q)(viM)-1(viQ)(HiM)0H1Q-H2Q-H3QMi$lQi=-Niu1N-u2N-u3N(viN)(HiN)(7)解式(7)即可得Mi,Qi,$l与Ni的关系如下:Mi=pNiQi=qNi$l=rNi(8)当螺栓处于拧紧状态时操作压力P=0,则由式(5)即可求出(uil),(vil),(Hic)值即-(uiC)-(viC)-(HiC)=u1N-u2N-u3N(u1M)(uiQ)(viN)v1M-v2M-v3M(ViQ)(HiN)(HiM)H1Q-H2Q-H3QNiMiQi(9)至此,式(5)中右端项除操作压力P值外,其余各柔度系数均已求出。在具体计算时可先按螺栓拧紧力Ni,由式(8)求得Mi,Qi和$1值,再由式(9)求出拧紧状态参数(uiC)等,最后由式(5)求得作用在端盖法兰,容器法兰上的N、M、Q值,并可进一步分析计算容器各零、部件的应力和变形。由以上分析推导可知本方法的特点是综合分析考虑了容器整个连接系统的刚性及它们之间相互影响,这显然比过去仅考虑螺栓刚性进行密闭设计与法兰强度计算的方法相比要更接近实际情况。它不仅可以分析某一特定操作压力下各零部件的应力和变形,还可以分析不同拧紧程度的影响,为容器的密闭设计与疲劳强度分析提供了更为合理的计算方法。

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