一种两部位支撑式法兰连接结构及其设计方法技术

一种两部位支撑式法兰连接结构是一种能够降低螺栓峰值应力，增强螺栓强度裕量的法兰连接结构，其设计过程如下：首先根据密封要求或相关标准，确定密封圈的压缩量、回弹量，由此计算得到两支撑部位的高度差；然后根据法兰所受的分离力及法兰通径，初步确定螺栓个数及规格；之后可凭经验初步确定法兰形状，并进行有限元分析，优化法兰形状、螺栓规格、预紧力等参数；最后将螺栓预紧力转化为工程使用控制参数。本发明专利技术能够有效降低螺栓在整个工作循环中所受的弯矩峰值，从而降低螺栓应力峰值，提高其强度安全裕量，进而降低法兰刚度要求，降低法兰连接结构的整体重量。

Two position supporting type flange connecting structure and design method thereof

The two part of a supporting flange structure is a bolt can reduce the peak stress, enhance the strength margin of flange bolt connection structure, the design process is as follows: firstly, according to the sealing requirements or standards, determine the amount of compression of the sealing ring, the springback, which calculate the height difference of two supporting parts; and according to the separation force and the diameter of the flange, initially identified the number and size of bolts can be empirically determined; after the flange shape, and finite element analysis, optimization of flange shape, bolt size and preload parameters; the bolt pretightening force into engineering control parameters. The invention can reduce the peak bending moment of the bolt will be in the whole working cycle effectively, thereby reducing the peak stress of bolt, increase the strength of the safety margin, thereby reducing the rigidity of the flange, flange connection structure to reduce the overall weight.

【技术实现步骤摘要】
一种两部位支撑式法兰连接结构及其设计方法
本专利技术涉及一种法兰连接结构及其设计方法。
技术介绍
火箭发动机对结构重量要求严格，发动机结构重量降低就意味着火箭有效载荷重量的增大。液体火箭发动机大量采用法兰连接结构，按两法兰支撑部位的不同，目前的法兰连接结构大体可分为两类：1)大面积接触式法兰连接结构，如图1(a)所示；2)只有密封结构处接触—单一部位支撑式法兰连接结构，如图1(b)所示。密封圈位于介质侧，对于大面积接触式法兰连接结构，在装配状态下(未充入介质)螺栓基本不受弯矩作用(由于密封圈支反力的作用，法兰介质侧会有一定的张开量，螺栓会受到较小的弯矩)，但在工作状态下(充入介质)，法兰连接结构受到轴向分离力作用，法兰介质侧张开距离变大，法兰与螺母或螺帽的接触面倾角变大，螺栓受到的弯矩变大。弯矩作用会使螺栓沿自身周向应力分布不均匀，在轴向力相同的条件下，应力分布不均匀导致应力峰值变大，螺栓的安全裕量降低。对于单一部位支撑式法兰连接结构，在装配状态下螺栓即受到较大的弯矩作用，在工作状态下，螺栓所受的弯矩会进一步增大，在螺栓轴向力相同的情况下，螺栓的安全裕量偏低。为降低螺栓所受的弯矩，一般采用增加法兰厚度的方法来增加法兰的刚度，这就导致法兰连接结构增重。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提出一种两部位支撑式法兰连接结构及其设计方法，该法兰连接结构形式能够有效减小螺栓受到的弯矩，增加其安全裕量，同时降低对法兰刚度的要求，降低法兰重量。本专利技术所采用的技术方案是：一种两部位支撑式法兰连接结构，包括第一法兰、第二法兰、连接螺栓、密封圈；密封圈安装在第一法兰的法兰盘的密封槽内，第二法兰的法兰盘上有与第一法兰的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰与第二法兰之间通过螺栓连接，第一法兰与第二法兰之间通过密封圈与第二法兰外缘处的凸起结构支撑。所述第二法兰与第一法兰安装后，第二法兰外边缘处凸起结构与第一法兰之间的间隙等于初始压缩量a与密封圈实际回弹量的差值。一种两部位支撑式法兰连接结构的设计方法，包括如下步骤：步骤一、确定法兰连接结构处的介质压力以及法兰连接结构的轴向分离力载荷；所述法兰连接结构包括第一法兰、第二法兰、连接螺栓、密封圈；密封圈安装在第一法兰的法兰盘的密封槽内，第二法兰的法兰盘上有与第一法兰的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰与第二法兰之间通过螺栓连接，第一法兰与第二法兰之间通过密封圈与第二法兰外缘处的凸起结构支撑；步骤二、根据设定的密封圈漏率要求，确定密封圈的初始压缩量a及允许的最大回弹量bmax；确定第二法兰凸起结构与第一法兰之间的间隙初始值c0＝a-bmax；步骤三、根据介质压力，初步确定法兰结构参数；所述的法兰结构参数包括管路壁厚、法兰盘厚度、法兰盘外径；步骤四、计算螺栓的总载荷、确定螺栓数量n；根据螺栓的总载荷、螺栓数量，计算获得单个螺栓的载荷并确定螺栓规格；将单个螺栓载荷初步确定为螺栓预紧力；步骤五、对法兰连接结构进行有限元静力学分析，获得法兰结构参数及螺栓预紧力的最终值、密封圈实际回弹量；根据密封圈实际回弹量调整第二法兰外边缘处凸起结构高度，使得凸起结构与第一法兰之间的间隙等于初始压缩量a与密封圈实际回弹量的差值；步骤六、根据步骤五中确定的螺栓预紧力、量化控制措施，确定量化控制参数范围；根据步骤五中确定的法兰结构参数、凸起结构高度，确定第一法兰、第二法兰的结构。所述步骤五中，获得第二法兰外边缘处凸起结构高度的具体步骤如下：5.1、建立法兰连接结构有限元分析模型：以每个螺栓的轴线与法兰盘轴线所在平面为剖面，将法兰连接结构分为n等份；取其中任意一份，利用其对称面为剖面，将其分为两等份，其中一份作为分析模型；5.2、对分析模型施加边界条件：约束第一法兰端部的轴向位移，约束分析模型两侧面的周向位移；5.3、施加螺栓预紧力，计算得到的密封圈压缩量Z1；施加介质内压及法兰分离力，计算得到的密封圈压缩量Z2；5.4、调整法兰结构参数、螺栓预紧力值使得结构应力低于许用应力；5.5、计算密封圈实际回弹量b1＝Z1-Z2；判断c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，则调整第二法兰的凸起结构高度；5.6、获得新一轮迭代中的凸起结构与第一法兰之间的间隙值ci，使得ci＝a-bi，返回步骤5.3，得到新一轮迭代中的密封圈实际回弹量bi+1；i为迭代次数，为正整数，初值为1；5.7、若bi+1＝bi，停止迭代，获得最终的第二法兰的凸起结构高度；否则，调整第二法兰的凸起结构高度，i＝i+1，重复步骤5.6。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术提出一种新的法兰连接结构形式，通过详细设计分析，可以有效降低螺栓在整个工作循环中所受的弯矩，从而降低螺栓的应力峰值，增加其强度裕量，同时有助于降低整个法兰连接结构的重量；(2)本专利技术提出一种简化计算方法，利用力矩平衡原理，初步确定螺栓预紧载荷，以此为依据，可以选定螺栓规格；(3)本专利技术提出一种法兰外缘处支撑结构高度的迭代计算方法，通过该方法计算得到法兰外缘处支撑结构的高度，可以实现螺栓应力分布均匀的目标。附图说明图1(a)、图1(b)为目前常用的两种法兰连接形式示意图；图2为两部位支撑式法兰连接结构示意图；图3为本专利技术方法的流程框图；图4是本专利技术方法涉及到的简化计算过程中法兰力矩平衡示意图；图5是不同法兰连接结构螺栓应力分布情况对比。具体实施方式如图2所示，一种两部位支撑式法兰连接结构，包括第一法兰1、第二法兰2、连接螺栓3、密封圈4；密封圈4安装在第一法兰1的法兰盘的密封槽内，第二法兰2的法兰盘上有与第一法兰1的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰1与第二法兰2之间通过螺栓3连接。第一法兰1与第二法兰2之间通过密封圈4与第二法兰2外缘处的凸起结构支撑。图3为本专利技术方法的流程框图，一种两部位支撑式法兰连接结构设计方法，主要步骤如下：(1)确定法兰连接结构处的介质压力以及法兰连接结构的轴向分离力等载荷，法兰连接结构的轴向分离力可由下式计算：F1＝Pπr2式中F1为法兰连接结构轴向分离力，P为介质内压，r为管路流通面的半径。应注意不是所有法兰连接结构都受到轴向分离力的作用，对于直管或在拐弯处存在支撑结构的弯管，其法兰连接结构处可能不受轴向分离力作用，应具体问题具体分析。(2)根据漏率要求，结合已有标准或试验数据，确定密封圈的初始压缩量a及允许的最大回弹量bmax；确定第二法兰2与第一法兰1恰好与密封圈4接触时，第二法兰2外缘凸起结构与第一法兰1之间的间隙初始值为c0＝a-bmax，由此确定第二法兰2外缘凸起结构的高度初始值。(3)根据介质压力，参照工程经验，初步确定法兰结构参数，主要是管路壁厚、法兰盘厚度、法兰盘外径等参数。管路壁厚的初步确定可采用如下方法：PD/2δ≤[σ]式中D为管路流通面的直径，D＝2r，δ为管路壁厚，[σ]为材料许用应力。法兰盘厚度可根据经验先大致确定一个值，后续通过有限元分析进行优化。根据轻量化原则，法兰盘外径应足够小，但法兰盘外径的最小值受螺栓布置空间限制，因此可以根据螺栓布置空间来确定法兰盘外径。(4)将法兰简化为一根刚体杆，其受力情况如图4所示，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两部位支撑式法兰连接结构，其特征在于：包括第一法兰(1)、第二法兰(2)、连接螺栓(3)、密封圈(4)；密封圈(4)安装在第一法兰(1)的法兰盘的密封槽内，第二法兰(2)的法兰盘上有与第一法兰(1)的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过螺栓(3)连接，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过密封圈(4)与第二法兰(2)外缘处的凸起结构支撑。

【技术特征摘要】
1.一种两部位支撑式法兰连接结构，其特征在于：包括第一法兰(1)、第二法兰(2)、连接螺栓(3)、密封圈(4)；密封圈(4)安装在第一法兰(1)的法兰盘的密封槽内，第二法兰(2)的法兰盘上有与第一法兰(1)的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过螺栓(3)连接，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过密封圈(4)与第二法兰(2)外缘处的凸起结构支撑。2.根据权利要求1所述的一种两部位支撑式法兰连接结构，其特征在于：所述第二法兰(2)与第一法兰(1)安装后，第二法兰(2)外边缘处凸起结构与第一法兰(1)之间的间隙等于初始压缩量a与密封圈实际回弹量的差值。3.一种两部位支撑式法兰连接结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、确定法兰连接结构处的介质压力以及法兰连接结构的轴向分离力载荷；所述法兰连接结构包括第一法兰(1)、第二法兰(2)、连接螺栓(3)、密封圈(4)；密封圈(4)安装在第一法兰(1)的法兰盘的密封槽内，第二法兰(2)的法兰盘上有与第一法兰(1)的密封槽对应的密封榫及位于法兰盘外缘处的凸起结构，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过螺栓(3)连接，第一法兰(1)与第二法兰(2)之间通过密封圈(4)与第二法兰(2)外缘处的凸起结构支撑；步骤二、根据设定的密封圈漏率要求，确定密封圈的初始压缩量a及允许的最大回弹量bmax；确定第二法兰(2)凸起结构与第一法兰(1)之间的间隙初始值c0＝a-bmax；步骤三、根据介质压力，初步确定法兰结构参数；所述的法兰结构参数包括管路壁厚、法兰盘厚度、法兰盘外径；步骤四、计算螺栓的总载荷、确定螺栓数量n；根据螺栓的总载荷、螺栓数量，计算获得单个螺栓的载荷并确定螺栓规格；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱景文，吴洋洲，曾诚，王新军，杨正，黄志亮，樊仕营，赵哲，王志云，常红，韩放，贾傲，孙彦铭，
申请(专利权)人：北京航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11