【技术实现步骤摘要】
一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法
本专利技术属于智能制造领域，涉及一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法。
技术介绍
螺栓法兰连接结构被广泛应用于石油、化工、核电和航空航天等大型复杂机械装备之中，螺栓载荷大小直接决定着法兰连接结构的密封性能。在实际法兰安装过程中，后续螺栓预紧会对之前已拧紧螺栓连接载荷产生影响，并最终影响法兰连接载荷分布的均匀性，根据法兰和密封垫片材料、结构的不同，最终连接载荷水平差异有时高达90％以上，这将严重影响螺栓法兰连接结构密封性能的可靠性和保持性。因此，如何在装配阶段保障螺栓法兰连接载荷的水平和一致性一直是学界和业界关心的热点问题之一。近年来，各国学者通过试验测试和有限元模拟方法，已基本实现了不同装配顺序下螺栓法兰连接最终载荷分布规律的预测，并且以连接载荷均布为目标，提出了基于弹性交互作用系数的单批次螺栓法兰连接工艺优化设计方法。然而，一方面，为了达到螺栓连接最终载荷水平的一致性，单批次优化后某些螺栓载荷势必会远远高于目标预紧力，甚至超过螺栓材料的屈服强度，...
【技术保护点】
1.一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：确定螺栓法兰结构输入参数；/n步骤2：求解法兰连接弹性顺度参数；/n步骤3：建立每批次连接弹性交互作用力学模型；/n步骤4：计算每批次连接逆序卸载载荷数值；/n步骤5：计算两批次连接最优中间目标预紧力；/n步骤6：以步骤5获得的最优中间目标预紧力为第一批次目标预紧力，利用步骤3建立的每批次连接弹性交互作用力学模型，重复步骤4，逐一获得两批次拧紧策略下每批次螺栓法兰连接初始预紧力数值。/n
【技术特征摘要】
1.一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定螺栓法兰结构输入参数；
步骤2：求解法兰连接弹性顺度参数；
步骤3：建立每批次连接弹性交互作用力学模型；
步骤4：计算每批次连接逆序卸载载荷数值；
步骤5：计算两批次连接最优中间目标预紧力；
步骤6：以步骤5获得的最优中间目标预紧力为第一批次目标预紧力，利用步骤3建立的每批次连接弹性交互作用力学模型，重复步骤4，逐一获得两批次拧紧策略下每批次螺栓法兰连接初始预紧力数值。
2.根据权利要求1所述的可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：
步骤1-1：确定法兰、螺栓、密封垫片的几何尺寸和材料属性参数；
步骤1-2：确定螺栓数目、拧紧顺序和最终目标预紧力。
3.根据权利要求1所述的可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：
步骤2-1：计算螺栓的弹性顺度Cb：
其中，Le为螺栓有效长度，单位mm；Ab为螺栓法向横截面积Ab＝πd2/4，单位mm2；d为螺栓公称直径，单位mm；Eb为螺栓材料弹性模量，单位MPa；
步骤2-2：选取法兰结构微元作为分析模型，对其进行受力分析；
步骤2-3：建立该微元上三向力的平衡方程和三向力矩平衡方程；
步骤2-4：将微元所受弯矩Mn和扭转弯矩Mt代入三向力平衡方程和三向力矩平衡方程，得到方程组：
其中，y1＝υ为密封垫片轴向位移，单位mm；y2＝β为法兰弯曲角度，单位rad；y3＝θ为法兰扭转角度，单位rad；y4＝Vb为剪切力，单位N；y5＝Mn为微元所受弯矩，单位Nmm；y6＝Mt为微元所受扭矩，单位Nmm；Kg为密封垫片刚度，单位N/mm；D0为法兰质心位置直径，单位mm；R为法兰质心位置半径，单位mm；G为密封垫片反作用力位置直径，单位mm；Gf为法兰剪切模量，单位MPa；Mf为法兰承受弯矩，单位Nmm；Pb为微元承受载荷，单位N；J为截面惯性矩，单位mm4；
步骤2-5：利用步骤2-4中公式计算螺栓加载位置对应的密封垫片轴向位移υ和相应位置的法兰扭转角度θ；
步骤2-6：当螺栓j施加预紧力Fb后，螺栓i处法兰与密封垫片合成弹性顺度Ci,j：
其中，υi为螺栓i位置的密封垫片中径轴向位移，单位mm；θi为相应位置的法兰转角，单位rad；kf为法兰环面刚度，单位N/mm；C为螺栓分布直径，单位mm；G为密封垫片反作用力位置直径，单位mm；Fb为螺栓装配载荷，单位N；
步骤2-7：法兰环面刚度kf为：
其中：Ef为法兰材料弹性模量，单位MPa。
4...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱林波，洪军，乌尼尔，张早校，郭俊康，石振明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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