[发明专利]基于非线性垫片的法兰螺栓预紧载荷设计方法

摘要

本发明涉及一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧力设计方法，分析垫片的压缩回弹性能讨论垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系，对法兰连接系统进行弹性分析，得到垫片材料的非线性性能会使得螺栓预紧力非线性变化，对法兰连接进行轴向位移的协调分析，求解垫片压紧力随工作压力、螺栓预紧力的变化规律，求解法兰偏转角随工作压力、螺栓预紧力的变化规律对螺栓法兰连接系统紧密性进行安全评定，综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面给出法兰在一定公称压力条件下的非线性螺栓预紧力的安全区域使螺栓法兰系统的紧密性达到最优。本发明对常温法兰连接系统的紧密性给出简单有效的定量评价方法，为螺栓法兰连接系统的设计和紧密性的评定提供依据，提高安全性。

主权项

一种基于非线性垫片的法兰螺栓预紧力设计方法，其特征在于：包括以下步骤，S1.分析垫片的压缩回弹性能；压缩回弹性能是垫片的基本力学性能，根据垫片的压缩回弹曲线可知在操作条件下垫片的卸载性能与螺栓预紧力的关系——施加不同的螺栓预紧力，垫片在发生回弹时，垫片的塑性变形量随螺栓预紧力的增大而增大，垫片的回弹曲线的不同造成垫片在回弹阶段的弹性系数的变化，垫片材料的非线性性能使得螺栓预紧力非线性变化，导致垫片压紧力和法兰偏转角的改变，从而影响法兰连接系统的紧密性；S2.分别计算螺栓、法兰和垫片的弹性系数；螺栓的弹性系数由普通弹性物体的弹性系数计算公式和胡克定律求得；法兰承受弯矩和内压时，法兰的弹性系数分为法兰对弯矩的弹性系数和法兰对内压的弹性系数，法兰对弯矩的弹性系数取决于弯矩的作用、法兰对内压的弹性系数取决于内压的作用；垫片的弹性系数由Abdel‑Hakim Bouzid在Creep analysis of bolted flange joints文中引用的垫片弹性系数的计算方法得到；S3.对法兰连接系统进行轴向位移的协调分析，列写变形协调方程，求解垫片压紧力、法兰偏转角随工作压力、螺栓预紧力的变化规律；S4.对法兰连接系统的紧密性进行安全评定；将在一定工况下工作的垫片压紧力与满足密封的最小压紧力进行比较并对垫片的密封性进行评价、将在一定工况下工作的法兰偏转角与限定的偏转角进行比较并对垫片的密封性进行评价，通过计算得到等垫片应力曲线和等法兰转角曲线的变化规律，给定一个公称压力，由等垫片力曲线、等法兰转角曲线和最小螺栓应力曲线得到螺栓预紧力的一个安全区域并确定法兰系统的最大工作压力；S5.综合垫片压紧力和法兰偏转角两方面，给出法兰在一定公称压力条件下的螺栓预紧力的安全区域，使得螺栓法兰系统的紧密性达到最优。