[发明专利]螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法及系统

权利要求书

1.一种螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

基于弹性板壳力学理论建立目标结构的力学模型；所述目标结构为螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构，包括接管、平盖、垫片、螺栓和法兰，所述平盖中心开孔；

初始化目标结构的结构参数；

根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力；

令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组；

求解所述二元线性方程组获得目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力；

根据平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力及目标单位周长弯矩和目标单位周长径向力，计算接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角；

基于接管根部局部经向应力、平盖内缘径向应力、平盖内缘周向应力和垫片处平盖偏转角判断目标结构是否满足安全条件；

当不满足安全条件时，更新所述目标结构的结构参数，并返回根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力的步骤；

当满足安全条件时，输出目标结构的结构参数作为优化后的结构参数。

2.根据权利要求1所述的螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，根据所述力学模型，分工况计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：

在预紧工况下，根据所述力学模型，计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：

；

；

其中，为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，为预紧工况下平盖外边缘垫片处的弯矩，为垫片压紧力作用中心圆直径，，，为预紧工况下平盖与法兰的螺栓力，为螺栓中心与垫片作用点之间的距离，为需要的螺栓总截面积，为实际选用的螺栓总截面积，为常温下螺栓材料的许用应力，为平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力，为预紧工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力；

在操作工况下，根据所述力学模型，计算平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩和单位周长轴向剪切力为：

；

；

其中，为操作工况下平盖外边缘垫片处的弯矩，，，为操作工况下垫片反力，b为垫片有效密封宽度，m为垫片系数，为计算压力，为操作工况下平盖外边缘垫片处的单位周长轴向剪切力。

3.根据权利要求1所述的螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的优化设计方法，其特征在于，令接管根部的单位周长弯矩和平盖开孔内缘处的单位周长弯矩均等于目标单位周长弯矩，接管根部的单位周长径向力和平盖开孔内缘处的单位周长径向力均等于目标单位周长径向力，基于所述力学模型构建二元线性方程组为：

；

；

其中，为中间系数，，为接管材料的泊松比，为接管开孔内直径，为接管材料弹性模量，为平盖材料弹性模量，为平盖外边缘垫片处的单位周长弯矩，为开孔率，，为垫片压紧力作用中心圆直径，为垫片压紧力作用中心圆半径，为目标单位周长径向力，Q_n=Q_I=Q₁，为目标单位周长弯矩，M_n=M_I=M₁，Q_n和M_n分别为接管根部的单位周长径向力和单位周长弯矩，Q_I和M_I分别为平盖开孔内缘处的单位周长径向力和单位周长弯矩，和为待求解量，为接管有效厚度，为平盖有效厚度，为计算压力；为平盖旋转刚度，，为平盖材料的泊松比，、、和均为平盖柔度系数，为平盖在开孔半径处单位周长轴向力。