【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及凸缘法兰的设计方法，具体涉及一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法。
技术介绍
1、早期铁路罐车采用高颈作为补强圈对焊接法兰进行加强，这种结构被称为过人通孔，简称人孔。该结构较为复杂，需要将罐车筒体与人孔法兰通过内侧角的焊缝焊接，再将补强圈分别与筒体、人孔法兰焊接，受操作空间和结构所限，该结构金属填充量大、焊后热应力大、变形量大、受力情况复杂。短而厚的凸缘法兰作为容器开孔处的一种联接件，具有用料节省、空间紧凑、对开孔处可起到有效的补强作用等诸多优点，近年来在铁路罐车上广为应用，常作为人孔、阀座等。
2、铁路罐车作为典型的移动容器之一，在其罐体上开孔设置凸缘法兰的设计目前尚未见有统一标准。工程上一般采用化工容器的凸缘法兰设计标准，该标准针对凸缘法兰设置于容器端部的标准封头中心，且限制计算内压和内外直径比。其应用于铁路罐车的凸缘法兰设计时，需校核的凸缘截面内应力如图1所示，存在的问题有：
3、1)移动容器区别于固定容器，在进行计算时压力不能仅考虑容器设计压力(容器顶部可能达到的最大压力)，还需考虑等效压力(在移动状态下由介质产生的惯性力载荷在罐体截面上产生的等效载荷)。
4、2)凸缘法兰开在封头中心，对于位于封头中心的凸缘法兰，其与封头的截面、连接处封头切线与法兰面的夹角、凸缘的内伸、外伸处处相同，因此可选择任意截面进行力学校核；而铁路罐车受到国家现行标准、国内既有装卸站点设施以及检验、维修等条件的限制，其人孔不得开设于液面以下，因此凸缘法兰多布置于罐体顶部。对于位于罐顶的凸缘法兰，法兰
5、3)凸缘法兰设置于封头中心，凸缘法兰的底平面与封头/筒体的内径重合，整个模型的连接点与封头内表面重合，没有内伸部分，而铁路罐车往往将凸缘法兰与罐体的连接点设置于凸缘中部，即凸缘有一部分内伸于筒体中。这个差异延长了封头/筒体作用于凸缘法兰的径向力的力臂，进而造成封头/筒体作用力的力矩及合力矩的增大，同时忽略了凸缘内伸部分由内压作用在法兰上的径向力及其力矩，导致了操作状态下法兰环向弯曲应力和操作状态下法兰环向薄膜加弯曲应力的计算值与实际情况相差过大，造成凸缘法兰过厚。
6、此外，凸缘法兰通常采用具有较好力学性能和加工性的锻造材质，因而直接采用化工容器设计方法进行铁路罐车凸缘法兰设计时造成材料浪费、成本上升，也限制了使用范围。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有的凸缘设法兰设计方法不适用于铁路罐车凸缘法兰设计的技术问题，而提供一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
4、步骤1、根据凸缘法兰的设计要求得到法兰设计给定参数；
5、步骤2、根据铁路罐车的设计要求得到容器设计给定参数；
6、步骤3、根据步骤1得到的法兰设计给定参数和步骤2得到的容器设计给定参数，计算凸缘法兰力学设计参数；
7、步骤4、根据步骤1得到的法兰设计给定参数和步骤3得到的凸缘法兰力学设计参数，计算法兰形状系数、预紧状态下法兰力矩和操作状态下法兰合力矩；所述操作状态下法兰合力矩包括内压作用在法兰外壁面上产生的应力力矩；
8、步骤5、根据步骤4得到的法兰形状系数和预紧状态下法兰力矩，计算预紧状态下法兰环向弯曲应力σ1；根据步骤4得到的操作状态下法兰合力矩，计算操作状态下法兰环向弯曲应力σ2；
9、步骤6、根据步骤2得到的容器设计给定参数、步骤3得到的凸缘法兰力学设计参数和步骤5得到的操作状态下法兰环向弯曲应力σ2，计算操作状态下法兰环向薄膜加弯曲应力σ3；
10、步骤7、若σ1、σ2、σ3满足以下条件，则凸缘法兰校核合格，否则，返回步骤1更改法兰设计给定参数，直至凸缘法兰校核合格：
11、
12、
13、
14、其中，[σ]f为法兰材料常温下许用应力，为法兰材料设计温度下许用应力。
15、进一步地，步骤2中，所述容器设计给定参数包括：设计压力pc、垫片压紧力的力臂lg、操作状态下螺栓力的力臂lb、封头/筒体作用于法兰的径向力的力臂lnh、封头/筒体作用于法兰的轴向力的力臂lnv、内压作用在法兰上的轴向力的力臂lpv、内压作用在法兰上的径向力的力臂lph、内压作用在法兰上的径向反力的力臂lny和连接处封头/筒体切线与法兰面的夹角α；
16、所述设计压力pc为容器设计压力与等效压力的和，所述等效压力为由介质产生的惯性力载荷除以与该力的作用方向垂直的罐体截面的投影面积的商。
17、进一步地，步骤1中，所述法兰设计给定参数包括：法兰有效厚度δfe、铁路罐车筒体有效厚度δe、垫片有效宽度b、垫片系数m、垫片压紧力作用中心圆直径dg、法兰内直径di、法兰外直径do、螺栓孔螺纹外直径db、螺栓孔深度hb、螺栓中心圆直径db、需要的螺栓总截面积am、螺栓实际使用总截面积ab、螺栓材料常温下许用应力[σ]b、法兰材料常温下许用应力[σ]f和法兰材料设计温度下许用应力
18、进一步地，步骤3中，所述凸缘法兰力学设计参数包括：垫片压紧力fg、操作状态下螺栓力fb、封头/筒体作用于法兰的径向力fnh、封头/筒体作用于法兰的轴向力fnv、内压作用在法兰上的径向力fph、内压作用在法兰上的轴向力fpv、内压作用在法兰上的径向反力fny。
19、进一步地，步骤7中，所述返回步骤1更改法兰设计给定参数具体为：
20、返回步骤1，更改法兰有效厚度δfe。
21、进一步地，步骤5中，所述预紧状态下法兰环向弯曲应力σ1通过以下公式计算：
22、
23、其中，y是法兰形状系数，ma是预紧状态下法兰力矩，δfe是法兰有效厚度，db是螺栓孔螺纹外直径，hb是螺栓孔深度，do是法兰外直径，di是法兰内直径。
24、进一步地，步骤5中，所述操作状态下法兰环向弯曲应力σ2通过以下公式计算：
25、
26、其中，mp是操作状态下法兰合力矩。
27、进一步地，步骤6中，所述操作状态下法兰环向薄膜加弯曲应力σ3通过以下公式计算：
28、
29、其中，pc是设计压力，fnh是封头/筒体作用于法兰的径向力。
30、进一步地，步骤3中，所述垫片压紧力fg通过以下公式计算：
31、fg＝2πdgbmpc
32、其中，b是垫片有效宽度，m是垫片系数，dg是垫片压紧力作用中心圆直径；
33、所述操作状态下螺栓力fb通过以下公式计算：
34、
35、所述封头/筒体作用于法兰的径向力fnh通过以下公式计算：
36、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤2中，所述容器设计给定参数包括：设计压力pc、垫片压紧力的力臂LG、操作状态下螺栓力的力臂Lb、封头/筒体作用于法兰的径向力的力臂Lnh、封头/筒体作用于法兰的轴向力的力臂Lnv、内压作用在法兰上的轴向力的力臂Lpv、内压作用在法兰上的径向力的力臂Lph、内压作用在法兰上的径向反力的力臂Lny和连接处封头/筒体切线与法兰面的夹角α；
3.根据权利要求2所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤1中，所述法兰设计给定参数包括：法兰有效厚度δfe、铁路罐车筒体有效厚度δe、垫片有效宽度b、垫片系数m、垫片压紧力作用中心圆直径DG、法兰内直径Di、法兰外直径Do、螺栓孔螺纹外直径db、螺栓孔深度hb、螺栓中心圆直径Db、需要的螺栓总截面积Am、螺栓实际使用总截面积Ab、螺栓材料常温下许用应力[σ]b、法兰材料常温下许用应力[σ]f和法兰材料设计温度下许用应力
4.根据权利要求3所述的一种铁路罐
5.根据权利要求4所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤7中，所述返回步骤1更改法兰设计给定参数具体为：
6.根据权利要求5所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤5中，所述预紧状态下法兰环向弯曲应力σ1通过以下公式计算：
7.根据权利要求6所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤5中，所述操作状态下法兰环向弯曲应力σ2通过以下公式计算：
8.根据权利要求7所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤6中，所述操作状态下法兰环向薄膜加弯曲应力σ3通过以下公式计算：
9.根据权利要求5-8任一所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤3中，所述垫片压紧力FG通过以下公式计算：
10.根据权利要求9所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤4中，所述法兰形状系数Y通过以下公式计算：
...【技术特征摘要】
1.一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤2中，所述容器设计给定参数包括：设计压力pc、垫片压紧力的力臂lg、操作状态下螺栓力的力臂lb、封头/筒体作用于法兰的径向力的力臂lnh、封头/筒体作用于法兰的轴向力的力臂lnv、内压作用在法兰上的轴向力的力臂lpv、内压作用在法兰上的径向力的力臂lph、内压作用在法兰上的径向反力的力臂lny和连接处封头/筒体切线与法兰面的夹角α；
3.根据权利要求2所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤1中，所述法兰设计给定参数包括：法兰有效厚度δfe、铁路罐车筒体有效厚度δe、垫片有效宽度b、垫片系数m、垫片压紧力作用中心圆直径dg、法兰内直径di、法兰外直径do、螺栓孔螺纹外直径db、螺栓孔深度hb、螺栓中心圆直径db、需要的螺栓总截面积am、螺栓实际使用总截面积ab、螺栓材料常温下许用应力[σ]b、法兰材料常温下许用应力[σ]f和法兰材料设计温度下许用应力
4.根据权利要求3所述的一种铁路罐车凸缘法兰的力学设计方法，其特征在于：步骤3中，所述凸缘法兰力学设计参数包括：...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹梦琦，李照明，朱英波，侯军，祁杨，
申请(专利权)人：中车西安车辆有限公司，
类型：发明
国别省市：
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