夹套法兰
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随着工业技术的不断发展和各种工艺要求的不 断增多，非标准结构压力容器的应用场合也在不断 增加，随之出现了一些特殊的法兰密封和紧固方式。 法兰一般承受高压脉动载荷，对其强度和刚度均有 较高的要求H’2]。目前，一些非标准容器及其部件 的强度计算还没有相应的国家标准。为了保证法兰 在安全状态下工作，生产厂商必须对法兰进行强度 校核并向用户推荐法兰的最大。
一般标准法兰采用螺栓紧固连接方法，加热炉 炉门法兰为对称结构，法兰间的连接采用特殊的连 接结构缩紧圈和楔形体。文中采用ANSYS对夹套 式加热炉炉门和炉体间法兰连接以及其特殊的缩紧 连接结构进行应力分析。
该法兰与锁紧圈和楔形体通过接触紧固，此连 接结构接触分析为典型的非线性有限元问题。非线 性包括材料非线性、几何非线性和状态非线性，文中 只考虑状态非线性。 在状态非线性中，接触问题是一种很普遍的 状态非线性行为。接触问题的复杂性是由于接触 前后系统状态的改变及接触边界条件的高度非线 性所引起的。目前，国内外已出现了许多接触问 题的求解方法，如直接约束法、子结构法及罚函数 法等：引。 物体接触边界的分析见图1。图中，假设相互 接触的A、B两物体，S。和S。分别是给定的载荷和 位移边界条件。选择局部坐标系(m，，2)，m与接触 面相切，靠垂直于接触面方向，C是接触点。A、B两 物体的接触通常町归纳为以下3种情况。
容器与法兰的结构简图见图2～图3。法兰通 过二瓣式卡箍缩紧圈和楔形衬垫缩紧，法兰、简体 和锁紧圈的材料均为16MnR。这种材料设计温度下的的特性参数均近似取为弹性模量E=2× 105 MPa，泊松比芦=0．3，摩擦因数取为0．20(无润 滑状态)。 筒体内部的设计压力P，=2．2 MPa，设计温度 t，一100℃；夹套内部设计压力P。一0．3 MPa，设计 温度t2—20℃。
依据该加热装置的结构特点和载荷条件，可取 1／18建立分析模型，包括炉门封头、法兰、与法兰接 触的锁紧圈和部分壳体，有限元模型见图4。应用 ANSYS软件，采用SOLID 95、20节点3一D单元对 分析模型进行网格划分，几何形状规则的区域采用 映射网格划分，不规则的区域采用自由网格划分。 由于锁紧圈在锁紧时，门齿衬块与上法兰存在着接 触和相互摩擦，在锁紧圈与下法兰底面处存在着接 触和相互摩擦，故在此两处的上下表面分别建立接 触对，采用三维面面接触单元CONTACT 174和目 标单元TRAGE 170模拟，通常钢材间的摩擦因数 取0．2，计算时采用递增的拉格朗日算法，划分的接 触单元见图5。
利用分析软件重新建立模型分析，并在多个 关键部位定义路径，提取应力校核。最大应力仍 然发生在上法兰和内封头连接的部位，该截面处 的薄膜应力值为47．03 MPa，薄膜加弯曲应力值 为253．9 MPa，则有SI=47．03 MPa≤crs= 173 MPa；Sm一253．9 MPa≤1．5民一259．5 MPa。 此时，法兰与加热炉连接的关键部位均满足强度 要求。
文中建立法兰状态非线性有限元模型，计算结 果与实际情况较吻合。研究结果表明，非线性有限 元分析可以很好地模拟真实法兰的应力，且可以得 出法兰与壳体连接关键部位的应力分布状态和最大 应力位置。此计算不仅提高了计算精度，而且计算 结果可以作为结构设计的理论依据。
