[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

说明书

本发明公开一种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，属于结构设计技术领域。本发明基于弹性板壳理论，按实际情况建立力学模型，并进行求解，计算得到各元件在结构突变区域的双向应力后，进行安定性评价，提高了螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的强度和密封刚度计算的精度，进而提高螺栓连接的圆形平盖中心开孔结构的工程设计水平。

技术领域

本发明涉及结构设计技术领域，特别是涉及一种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。

背景技术

压力容器广泛用于石油、化工、电力、煤化工、光热等行业。其中，平盖（又称为法兰盖）作为压力容器主要受压元件。按工艺或操作要求，有时需在平盖中心开孔，平盖开孔后由于结构变化需要进行强度计算，为了检修方便性，平盖与筒体之间往往采取螺栓垫片连接结构

平盖开孔后，导致强度和刚度被削弱。因此在开孔前，首先要进行强度计算，包括整体强度和因开孔边缘几何突变引起的应力集中。其次，由于平盖开孔后，影响平盖刚度，平盖垫片处偏转与开孔前不同，如果不进行计算，会影响密封效果，导致泄漏，往往开孔率越大，计算越复杂。

平盖设计中，最常用方法为GB/T 150中的半面积法，其基于材料力学计算，偏差较大，因此该方法仅限定在开孔率ρ≤0.5（开孔率为平盖的开孔直径与平盖外径之比）的平盖上使用，超过此开孔率借用反向法兰计算，而反向法兰力学模型与平盖开孔结构并不相同。因此，目前对于平盖开孔计算的强度计算问题存在局限性，计算结果粗糙。同时，目前设计方法中，缺乏平盖垫片处偏转的计算方法。随着石油化工装置大型化、加强voc（挥发性有机化合物）等有害物质泄漏防范和环境保护，该类平盖在开孔后的密封刚度设计需要科学合理的计算方法。

（一）现有技术情况

压力容器作为特种设备，平盖开孔补强依据标准GB/T 150.3的半面积法进行计算。半面积法靠保守设计，保证结构的一次承载下结构强度。

压力容器在工业生产中，由于水压试验、开车、停车、工艺波动等原因，设备载荷难免发生变化，设备载荷发生变化后，就应该进行安定性失效评价。现行标准中的半面积法只考虑一次加载失效问题，缺乏局部应力在多次加载时结构失去安定性的计算，因此半面积法无法判定结构能否在载荷变化下保持不发生安定失效。

其次，由于平盖开孔，平盖刚度会发生变化，周边密封处刚度能否满足密封要求，目前没有计算方法。

（二）当前现有方法目前存在问题

当前主要计算方法为半面积法，半面积法的力学模型是基于弯曲梁的等抗弯模量构建，半面积法机理为：平盖开孔前后开孔截面的抗弯截面模量不变，基于该机理，平盖开孔所需补强面积A与开孔削弱面积A0之比ke，随开孔率ρ的变化而变化，按半面积法计算结果与实际所需面积相比偏保守，开孔率越大，设计冗余越大，开孔率0.5时，设计冗余达17.2%。

实际螺栓连接结构，平盖周边约束在周边固支和周边简支之间。周边固支时，最大弯曲应力位于平盖周边，周边简支时，平盖最大弯曲应力位于平盖中心，按经典平盖计算，同一位置二者相差，为平盖在外半径处单位周长弯矩，为平盖有效厚度。而且，各半径处的计算厚度并不一致，而计算厚度直接影响按半面积法计算平盖的可用补强面积，导致计算结果与实际情况不符。

除计算模型本身的精度偏差之外，基于半面积法进行设计补强，存在以下问题：

（1）补强模型和实际设计方法本身就存在偏差，开孔率ρ越大，实际所需金属与半面积法要求的补强面积偏差越大，设计冗余也越大。

（2）开孔处由于结构突变存在局部应力，以材料力学为基础的半面积补强方法无法求得因结构突变产生的局部应力（该局部应力属于二次应力）。忽视二次应力评价即忽视了高应力区的安定失效问题。