[硕士论文精品]深海管道自动法兰连接机具关键技术研究

蛤尔滨工程大学硕士学健论文摘要随着世界石油资源的基灏衰竭，石油资源的野发已从陆地转渤海洋，从浅海转向深海。论文主要内容是国家863计划深水海底管道铺设技术予课题的一部分，该课题对水下管道自动对接机具进行了深入的研究，从而在开发深海麓源方蘑迈出重要一步。论文研究了深水海底管道的水下回接技术，确定了系列边界条件，对管道和法兰遴行了详缨於设计。深承海赢营道翅接系统主要是通过一个承下机器人ROV控制一整套对接置具自动完成管道的机械对接。论文提毖了一种自动法兰连接机其方案，该槐具虫两部分组成，即螺母库和螺栓库。螺母库存放螺母并拧紧螺母，螺栓库存放螺栓并插入螺栓。螺母库安装在焊接有固定法兰普通法兰的一侧，螺检库安装在焊接有活动法兰旋转环法兰侧，遥过两个王其酶配合，完成螺栓翦张紧，实瑰管道的法兰连接。论文设计凄了种控律预紧及霞蓬替偿扳手系统，该系统豹拧紧方式和常规方式不同，以一种逆向自动拧紧方式完成了深水海底管道法兰的连接。该扳手系统主要韵设备秀拉馋颈紧扳誓，和普通扳手相比，它其有全塞动、拉伸预紧、位置补偿和定力矩的特点，应用于海底管道法兰的对接。通过ANSYS和ADAMS软件对扳警系统进行了静力学和运动学仿真，验证了其结构强度的可靠性耜运动过程的合理性。关键词霭接系统；法兰连接巍吴；螺母库；螺栓摩；扳手蛤尔滨工程大学硬士学便论文FIIIIIIII“。I皇警ABSTRACTALONGWITHTHEWEARINGOUTOFPETROLEUMRESOURCETHEEXPLOITATIONOFPETROLEUMRESOURCEHASBEENFROMLANDTOOCE3NSHALLOWSEATODEEPSEA髓ERESEARCHINGSUBJECTROOTEDINTHENATIONAL863SUBPROJECTITHADADEEPRESEARCHONTHEAUTOMATICTOOLFORSUBSEAPIPECONNECTION，ANDMADEANIMPORTANTSTEPINEXPLOITATIONOFDEEPSEAENERGYSOURCESITRESEARCHEDTHESUBSEATIEINSYSTEMPRIMARILY,ASCERTAINEDTHEBOUNDARYCONDITION，ANDMADEADETAILEDDESIGNOFPIPEANDFLANGE砌SINVENTIONRELATEDTOADIVERLCSSRIOINSYSTEM，WHICHUSEDANUNDERWATERROBOTROV,ABBREVIATIONOFREMOTELYOPERATIONALVEHICLE，TOCONTROLASERIESOFRELATEDTOOLSINTHEWHOLEPROCESS一ITMV锄TEDANAUTOMATICFLANGECONNECTIONTOOLWHICHWASUSEDTOCONNECTTHEUNDERWATERPIPELINEWITHFLANGEITISCONSISTEDOFNUTMAGAZINETOOLANDBOLTMAGAZINETOOL。NMISATOOLWHICHCARRI嚣NUTSAND蝴SDOWNTOTHEBOLTS，WHILETHEBMISATOOLWHICHC赳RRIESBOLTSANDINSERTSTHEMTOACOUPLEOFFLANGESONTHEBEGINNINGOFPIPECONNECTION,THENMISDEPLOYEDOILTHEPIPEWELDEDSWIVELRINGFLANGE,ANDTHEBMISDEPLOYEDONTHEPIPEWELDEDCOMMONFLANGEINTHEEND,THEPIPESCANBECONNECTEDCLOSELY硒MTHECOOPERATIONOFTHEBOTHTOOLS。ITDESIGNEDANEWAUTOMATICPULLTENSIONINGANDPOSITIONCOMPENSATIONTIGHTONSYSTEMWHICHWASDIFFERENTFROMFORMERMETHODSITUSEDACONVERSETIGHTENMETHODTOCOMPLETETHEFLANGECONNECTIONFORDEEPSEAPIPELINE强EMOSTIMPORTANTINSTRUMENTISTHEPULLTENSIONINGWRENCHWIMTHEDIFFERENCEFROMFORMERSINTHEASPECTSOFAUTOMATISM，TENSIONINGMETHOD，POSITIONCOMPENSATION,TORQUECONTROLANDTHEAPPLICATIONOFSUBSEAFLANGEITUSEDASORWAREANSYSTOSTATICSANALYSISANDASOTBCCAREADAMSTOKINEMATICSANALYSISOFTHEWRENCHSYSTEM，ANDPMVEDTHEFRAMEWORKINTCNSITYSRELIABILITYANDMOVEMENTPROCESSSREASONABLENESS哈尔滨工程大学硕士学健论文ILRLILIITII一_IILLINLI11T“11I11墨鼍萱II宣警嗣葺葺III青警嗣_KEYWORDSDEINSYSTEMFLANGECONNECTIONTOOLNUTMAGAZINETOOL哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字目期移年弓月7EL蹬尔滨工程大警硕士学健论文第章绪论1，引言人类辩石油的臀罄交大震，深永磊油将是岽来全球石油战略酶重点之。敷威预测称，全球深水石油的资源量即有潜力成为可采储量约是目前垒球910亿耩霹采石漆赭量蕊麓左右，鄹200琵撩，藿囊予受裁予落后黧技术和设备，遮块宝藏对于中国而言依然保持着神秘。据统计，世雾海洋葛赣资澡量占全臻善熬资源慧量懿3蒜，垒薄海洋石漓蕴藏量约1000亿吨，其中已探明储量的为380亿吨。在我国，海洋石油资源也相当丰富，经毅藏帆梅餐步倍冀，整个南海豹石漕地震储爨大致在230亿至3亿吨，约占我国石油总资源餐的三分之一，堪称第二个波薪湾瓣。因此，中圜必须建立自己的深海船队，斥巨资对设备熨新换代。目前，中国在包括尼瞬程亚、露度尼舔驻纛菲禧宾等匿鹃一些深永海域已经通过台捧或鑫营瓣方式进行勘探开发，坚持自主研究与国际合作研究相结合，中国酩经建有深水互翟实验室鬻深承勘探实验室。我窝在海洋磊濑装备建造寿垂技零曼经爨趋成熟，有网内外多个平台、船体的建造经验，已成为浮式生产储油装置FPSO的设诗、魈造彝实际塞震大鼹，在戴镁壤，我因总体技术水平泌达到世界先进水平鳓。2课题来源露的及意义。2。课题来源本课题隶属于圜家“863一重点项目，是中国海洋石油工程股份有限公司黎接嚣深承海底管道穗设搜拳之涤拳海赢警道承下霉攘技寒爱越建检验设备阑产化技术研究的子课题。122课题研究营的本课题豹研究黯豹是研制出具有邋主知识产权韵深水海底管道的自动对篁尘鋈型奎茎竺耋堡鎏圣接装置。123课题研究意义边际油田的开发是海洋石油发展的方向。水下回接技术是将新开发的生产管道并入已建的管网，充分利用已建设施，使边际小油田开发变得经济有效。目前我国水下管道铺设及回接工具都是从国外租来的，使用一次达几十万美元，还需雇佣外方操作人员，费用高而且工期不易控制。随着我国向深水领域的发展，研制出具有自主知识产权的回接工具，可以降低使用成本，缩短施工周期，培养高技术人才，冲破先进国家的技术垄断缩短与先进国家的差距。13国内外水下回接技术的发展概况131国外水下回接技术发展概况国外以美国和挪威为首的水下回接技术已经相当成熟，有一整套的水下作业系统工具，并有了实际的应用。1美国SONSUB公司在水下领域有着悠久的历史，在水下管道同接方面，他们采取了无潜水人员实现水下管道对接的技术。该系统丰要由ROV如图11所示和一系列对接工具组成。其中ROV控制整个回接的过程。通过水上操控船把ROV和一些对接工具带到目标位置的水面。再通过绳索或起重架把它们送到水下需要对接管道的位置。然后完全由ROV控制这些工具，实现管道的对接31。壁隹【阎匿鋈乏I”仁罐桫J哈筇滨工程丈学硕士学位论文ROV即REMOTELYODERAICDVEHICLE远程操作小车，简而言之是个集运动、控制、检测、监视等于体的水下机器人，具有快速、高精度运动和精确测量等基本功能。SONSUB公司的ROV已经在水下领域有了长足的进步，并且曰趋成熟，成为水下作业最重要的智能机器人。接应工具REACTIONT001和轴向对准工具商ALFORCET001用以固定安装到被连接的两个管道上，然后通过ROV控制绞车，把轴向对准工具和接应工具拖拽靠近，把两管道轴向距离控制在预设的范围之内，如图12所示。图12接应工具与轴向对准工具螺母库NUTM哪INE和螺栓插入与张紧工具BOLTINSERTION如DTEILSIONINGT001统称为法兰连接机具。在管道被接应工具和轴向对准工具精确对齐之后，ROV就携带螺母库和螺栓插入与张紧工具分别安装到两个管道上，其中，螺母库如图13所示安装到固定法兰一侧，螺栓插入与张紧工具如图14所示安装到活动法兰一侧。蒸燮图13螺母库巨图14螺栓插入与张紧工具螺母库主要要来拧紧螺母，螺栓库主要用来调节活动法兰孔和固定法兰孔的对齐，并插入螺栓实现螺栓的拉伸张紧”。螺母库框架为两半形式，通过内部液压驱动的开台装置，实现螺母库包络到被连接管道之上，最终实现拧紧螺母。螺栓插入与张紧工具主要用来插入螺栓和张紧螺栓，也为两半形式，通过液压驱动的开合装置实现开合，在调完孔之后插入螺栓，并与螺母库一起配合实现螺栓的拉伸张紧，最终拧紧螺母。2SONSUB公司的BRUTUS系统和上述工具专利相差不多，过程也一样，并且用于实际的水下作业。目前所用的法兰分为两种形式，一种是固定法兰，一种是活动法兰SWIVELRINGFLANGE，也可以叫做旋转环法兰该法兰孔的外缘部分可以绕着轴心旋转以对孔，这个对孔动作由螺栓插入与张紧工具来完成。螺母库如图15所示，该螺母库和上述专利螺母库的不同点在于其框架为三瓣结构形式，螺栓插入与张紧工具如图16所示。图15螺母库图16螺栓插入与张紧工具哈名滨1。程大学硕十学位论文该法兰连接机具的两个主要工具螺母库和螺栓插入与张紧工具都有一个拧螺栓的过程，此工具可咀用双头螺柱来连接法兰，螺母库一端只需拧紧该侧的螺母小功率，而螺栓插入与张紧工具侧执行拉伸螺栓变形之后再拧紧螺母大功率旖加预紧力。3ALLSEASGROUP公司的螺母库和SONSUB公司的螺母库框架结构一样，也为三瓣结构形式，如图17所示。该公司的螺栓插入与张紧工具的原理与SONSUB公司的也几乎一样，如图18所示，左侧为螺母库，右侧为螺栓插入与张紧工具。羽宣笛蜒图17ALLSEASGMUP的螺母库图18法兰连接主视图该螺栓插入与张紧工具中的螺母拧紧形式如图19所示，螺栓为特制，其长度比正常的螺栓要长一些，端部做成多圈凹槽形以便让一对夹具模块夹住该螺栓，由于螺纹的节距很小，不便于夹具夹持，此时在螺栓的端部做成大的凹槽，便于夹具就可以夹住螺栓。通过液乐油的输入，该装置就可以夹住螺栓，并实现轴向的拉伸，同时左端的拧螺母装置又可以继续拧入螺母，最后卸载，螺母就可以在给定的预紧力下张紧螺栓了”1。图19螺栓张紧方式哈尔滨工程大学硕士学位论文132国内水下回接技术发展概况国内3000米水下回接技术处于起步阶段，没有现成的设备工具，通过租借美国或挪威等国家的水下作业工具进行回接。对于水深500米以内的管道回接大多是通过潜水员的直接操纵或以水下密封仓作为作业空间实施对接，此类海底管道的安装，啻内普遍采用整条管线在陆上连接成形，然后密封管线两端，将钢管拖入水中，借管的浮力把管浮运拖到安装地点，再将管解除密封灌水沉入承中，起重船囊己会调整安装位置使管落入基槽完成安装翻。1。4论文主要研究内容一本论文研究内容是回接过程最后一步深水海底管道自动法兰连接机具的研究，重点是拉伸预紧及位置补偿方法的研究，主要完成以下工作1初始条件的确定。本论文的初始设计参数是海洋石油工程股份有限公司给出的两个基本参数，即3000米水深和24英寸管道。根据给出参数，查阕相关资料确定边界条件，包括设计压力，管道尺寸，管道和法兰压力等级，法兰形式等等；2自动法兰连接机具的研究与设计。根据国外水下翻接工具实际作业状况，确定了自动法兰连接机其的总体设计方案，并根据该方案对自动法兰连接机具的结构进行了设计，包括两个部分即螺母库和螺栓库的设计；3拉伸预紧及位置补偿方法的研究和设计。包括运动链分析，补偿分析。和误差分析等4。对拉伸预紧及位置补偿扳手系统进行ANSYS静力学分析和纽触涯S运动学分析。6蛤尔滨工程大学硕士学位沦文第2章自动法兰连接机具总体方案研究2。_L引言自动法兰连接机具是在两管道已贴近且轴向对齐基础上实现管道的滚兰对接。该工具在整个工作过程中与外郏设备有着密切的关系，是一个统一体，整个过程受到ROV的控翎，受到接应工具耦辅向对准工具的囊接制约，任何环节达不到预期的精度，最终会导致管道的对接失败。该章首先介绍了回接的整个过程，然羼进褥了管道和法兰设诗，最后鞠确了耋动法兰连接机具的总体设计方案。22深水海底管道回接过程深水海赢管道的对接，由于受到水深3000米因素的制约，不可能采取潜水员作业形式，也不便采取水下密封仓作监形式。它采用一种无潜水员的自动回接方法，通过个水下机器人ROVREMOTELYOPERATEDVEHICLE控制一整套对接工具完成管道蕊法兰对接。这其孛包括一系列的工具，麴接应王具REACTIONT001、轴向对准工具AXIALFORCET001、螺母库NUTMAGAZINET001、蠓栓库BOLTMAGAZINET001耦接西模块、壬重架、密封工具等等18,91。总体回接过程如下L。海上操控船装载所有耀接工具预先定位到冒接地点的水上，然后把所有设备传送到水下回接地点，准备进行对接任务，如图21所示。2。把接应工具和轴囱对准工具传送到对应熬管道辫孛，如图2。2所示。管道I管蝴鲁篙嗣鲞翟士J图21准备阶段接应工舆轴向对准工具幽运鱼能鬈D茹警爿缸巴皇图22传送W具3。ROV与接曩滑块固结，把接应王具定位到管道L上，如图23所示。哈尔滨工程大学硕士学位论文4ROV脱离接应工具，把轴向对准工具安装到管道2上，如图24所示。ROV图23安装接应工具图2。4安装轴向对准工具5ROV脱离轴向对准工其，运用其上的机械手把与轴向对准工具连接的刺入锚刺入锚在缆绳的端口插入接应工具相对应的插口，如图2。5所示。6ROV携带绞盘与轴向对准工具连接，通过绞盘的旋转拉伸缆绳，实现两个管道的拖拽靠近，如图26所示。管道1管道2圈25缆绳插入图2。6拖拽管道7拖拽缆绳使得两管道靠近，再运用轴向对准工具上的微调设备使得两管道的同轴度达到一定精度，以便进行下一步的操作，如图27所示。8撤走ROV等工具，管道轴向对齐，如图28所示。图27管道微调圈2。8管道对齐9。ROV携带着螺母库和螺栓库分别定位到两个管道上，其中螺母库定位到霉定法兰一侧，螺栓库定位到活动法兰一侧，如图29所示。10ROV控制螺栓库调节法兰孔对齐并插入螺栓，再控制螺母库对孔并拧紧螺母，如图210所示。哈尔滨工程大学硕士学位论文I青TFMLML一II“WI“M宣薯接口滑块图29安装法兰连接工具图210拧紧螺母11螺栓拧紧完毕后，准备撤离工具，如图21L所示。12ROV固结上接口滑块与接应工具和轴向对准工具结合，把它们一一从管道上卸载下来，如图212所示。接应工其轴自对准工具图211准备撤离图212卸载工具13所有连接工具都完成了任务，开始撤离，如图213所示。14最后通过ROV把所有对接工具都撤离到水上操控船，或继续进行下一个对接任务，如图214。接应工具轴向对管道1营遒2管道L管道2图213卸载完毕图214回收工具23总体方案设计231管道和法兰设计9一垂哈尔滨工程大学硕士学位论文ITILL“III“I“IIIIIII“I一2311管道设计1管道标准和类型1管道设计压力查阅海洋油气管道工程集油管是连接平台与平台之间的管道或管束，管内介质靠泵或压缩机加压流动，工作压力一般为6997M，A，管径为203406MM816英寸；苏联输油管技术经济指标对于管外径630RAM的管道，经济的原油管道压力为5262MPA；已开工的俄罗新东西伯利亚一太平洋输油管道最高工作压力达14MPATL0】；1998。2002，镇海炼化股份有限公司至萧山油库段管径3556MM，设计嚣力为627MPAF秘1。根据以上指标和查阅相关资料，初步确定空气中设计压力为15MPA。2管道类型及标准根据石化标准，为压力管道规范工业管道中GCL级工业管道。2管道参数设计1管道材料油管是油田应用最广、用量最大的重要材料，也是采油设备的重要缓成部分瞰】。国内管道是按美国API标准生产的API5LX60X80型管道材料T131，本课题采用X80管道材料，抗拉强度621MPA，屈服强度552MPA。2设计压力水深3000M的海底根据公式PPGH2一1式中P压力，MPAP液体密度，KG觚3G重力加速度，10MS2H距离水面高度，M得出海底水压冀PGHL。0X103X10X300030MPA141。设计压力15MPA，初步设定两种情况考虑一是恒压，二是恒压差。目前以压差恒定设计计算，由于两种极限情况都是压差15MPA，结果变化不大。LO晗尔滨_I程大学硕学位论文3管道直径2毒英寸DNFSOOMM管子，掇据棠臻管子标准及其辨径尺寸对比查得管道的外径为610RAM。4管道壁厚1砖对于压力管道来说，大多数都属于薄整管道，敌当SD6或者PA0385对，受起压直管理论壁厚计算公式可按式S揣赢丽PXDTQ忆222一P式中P设计压力，MPA移管子外经，蛐S管子的理论计算壁厚，MILL拶设计温度下材料的谗用应力，MPA砸焊缝系数，对于无缝钢管，1囊蚀余簧，MLN。G管子壁厚负偏差，监算得鼯14。2MM。根据压力等级计算公式【6L黝訾三一X100023F疗R式孛SCH壁厚等缓P设计压力，脚A【玎R材料许熙应力，MPA算得SEH40。根据SH3405。96标准，绢爱素钢合金钢无缝铜管静尺寸黎理论质量，选取公称直径DN；600衄，外径D610MM，实际选取壁厚等级高于SCH40，为SCH80，帮壁厚32MM。其薄参数见表2。L。哈尔滨工程大学硕士学位论文表21管道参数参数备注水深3000M最大水深水压30口A最大水压管道材料APISLX8Q按美国标准国产管道公称直径24INCH中海油给定管道外径610MM石化标准外径管道壁厚32RAM管道壁厚等级拍80设计油压15MM23。2法兰设计法兰、垫片、螺栓连接系统作为一种方便的可拆卸连接结构，是压力容器及管道上必不可少的重要部件。该连接系统是压力容器设计中的重要内容，同时也是工程设计及使用过程中容易嘏现闻题的关键部位郾L。1法兰的公称压力等级选择法兰的公称压力P，一般取比设计压力大一个等级的压力，本文取刚250。2选择垫片【LSL根据管道公称直径DN600MM，法兰压力等级25MPA，法兰形式为RJ法兰，材料为0CRL8NIL0TI，选取垫片形式为八角型金属环垫R79。八角垫圈主要用于高温高压管系，主要是利用螺栓预紧力的作用使得垫圈与密封面紧密接触，同时垫圈发生微量的塑性变形并填满法兰密封面上微观凹凸不平之处，从而形成密封1920】。3法兰详细设计在进行法兰设计时，主要解决的问题有诱个其一是法兰及其组成件螺栓、垫片所构成的密封副泄漏问题；其二是法兰本身的强度问题。1法兰及其组件的密封设计12哈尔滨工程大学碾学位论文ILILLII111II“IILLIIIIIIIIII|鼍II奄高嗣薯垫片的压紧力计算垫片的压紧力应不低予达到初始密封或叫预紧状态要求所需要的压紧力和工作状态下达蓟密封要求所需要的压紧力两者中的较大耆。A预紧状态，所需要的最小莲紧力应为耪始密封比压与垫片有效密封面积戆乘积，如公式疋疋314DO砂24式中法兰垫片压紧力，N疋预紧捷态下需要的垫片最小莲紧力，N仉垫片压紧力作用中心园直径，衄B垫冀有效密羹宽度，麟Y垫片初始密封比服也叫比压力。MPA查SH340396糠准，垫片SH3403一GROR79茨麓8麟挚静节径DO69215RAM，环平面宽度C248MM查得，W8，得BO掣C831；当墨6。4MM翼重，取有效密封宽度B3。IMM，查得金属环垫片不锈钢垫片系数M65，比压力Y攀1793MPA。得出艺茹314D0BY篁3。14X69215X3。LX179。3搿12X106N。B操终状态。所需最小压紧力应为垫片系数、设计压力与垫片有效密封面积的乘积，瓣公式628DG6M艺25式孛疋操俸状态下需要靛垫冀最小压紧力，N删垫片系数只，设计压力，MPA得出嚣628DO砌啦628X69215X3IX65X1513106N。C最大状态院较只和静大小，选取较大翥磊弓嚣13X105N。螺栓载荷计算嫖栓载旖氇应该分巍颈紧状态和操作获态嚣耪情况确定，并联较大值。13哈尔暝工程大学硕士学位论文A预紧状态预紧状态下需要豹最小螺犍载蘅戤应为此时垫片所需的压紧力。得出职疋群12X106N。B操作状态。操佟状态下，螺栓不仅要承受压紧垫片所需要酶力，蘑时还承受使法兰趋于张开的介质压力，如公式罗艺O，785DG2乏628DGBMP。26式中既。操作状态下的最小螺栓载荷，NF会质篷力萼L起的总轴囱力，辩只操作状态下垫片需要的最小压紧力，N珐垫片压紧力作用中心圆直径，MM只设计压力，MPAB垫片有效密封宽度，MM黼垫片系数得出WO078569215215628692153。L651569106N。螺栓总霞积计算该面积应为相应状态下螺栓载荷与螺栓材料许用应力之比，即有以蜕堰拶五27AP既谨仃五28式中爿。预紧状态下所需要的螺栓总截面积，MM2蠢。操作状态下所需要的螵捡总截面积，IDM2睨预紧状态下所需要的螺栓载荷，N既操作状态下骑最小螵拴载旖，N【秽】6。常温下螺栓材料的许用威力，MPA渺拯设计温度下静螺栓材料许瘸应力，MPA螺栓材料35CRMOA，吼660MPA，许用应力陋】3拦220MPA。算得以WO【秽五12X106220霹5455MM2，袋P孵饪拶蠢6910垂22031364MM2。需要的螺栓面积应取以、4一中的较大者，即14啥尔滨工程大学硕士学使论文鼍麓IIII|警嗣羞IIIUL“LL离I宣II置I冀嗣薯宣I宣置篇鞠嗣膏A脚MAXA。，A，31364MM2，实际选用的螺栓面积以应不小于需要的面积氐，即44选敬螺栓公称M90，其截瑟积近似为4半8482S甜52。螺柃个数计算螺栓个数箨呜，乓31酉364】【56】6。实际么参她鬻6X564533870MM2，可知AT,33870MM2_以31364MM2。最后查SH340696标准选取螺栓M90，其截面积近似为4拦半84825645衄2。螺栓个数根据SH340696标准选墩为16个。实际ABNA,搿16564590320MM2，可知490320MM2_氛31364MM2。在工程设计中，一般先用螺栓个数除以需要的螺栓总面积数“。，并对所得到约数值进行圆整，然嚣孬就近上靠到标准螺栓系列。工程上，预紧状态下和操作状态下的螺栓设计载荷矽可分别按下式计算W呢矽69X10矗N。，比较两个参数，最终螺栓设计载荷应为矿滏矾，取8O106N。0法兰强度设计法兰的强度计算是按照弹性理论进行的，目前国内和国际上比较流行的计算方法是WATERS法，得到翡计算在DN1500MM祷况下还是魄较满意的，故目前大多数法兰标准都采用此方法计算【2LL。法兰力矩计算A预紧状态预紧状态下，法兰在螺拴的旋压下，由于垫片的支撑作用使得法兰承受蛤尔滨工程大学硬学位论文一弯矩，弯矩的大小为螺栓载荷与到垫片理论支点位于DG中心圆上距离的乘积，如公式MAFOLA29其中坟一饿，见为螺栓中心圆直径，珑为垫片中心圆直径。算得MA12X10矗X9905692，L辩3,58X108N溉。B操作状态操露状态下，法兰不仅零受螺拴载蘅施加斡弯矩作用，同时还承受介震压力产生的轴向力引起的弯矩作用。M篙EO毛各专墨LR专擎G毛G210圪0785D12211夯互O5魂212式中磊作焉于法兰内径截面上的流体压力雩起的轴向力，ND，法兰内径，锄五壮螺裣中心至弓律雳位置处酶径自距离，MM五。螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离，NLNL最法兰颈部大端有效厚度，腿C法兰螺栓中心圆直径，MM菇法兰颈郝大端直径，趣M岛螺栓中心至磊作用位置处的径向距离，MM算得LR00最岛XL22603MM，FO0785X5462X153,51X106，LVLL毒25O5X108168。25MM，也盟114。，最拦_拦，925RAMXDI108MMF拦O785D；只0,785X692152X15矧564106N。爹一FO。213式中F流体压力引起的总轴向力，_N嚣轴向压力之差，N16哈尔滨工程大学硕士学位论文算得耳F一564351X106213X10614，MRF砬DFRLRFC,LA15X109N。MM。C最大状态比较M4与，并取法兰设计力矩MO为两者的较大值。MOM口15X109NMM。法兰应力计算利用弹性力学理论，通过建立其平衡方程、物理方程和几何方程，可以求解法兰在螺栓载苟预紧状态或螺栓载萄和压力工作作用操作状态下所产生的应力。如以下公式片硒FMO214片2而214铲筹M一一。协215，震2吉E一。JORUI嚣一霹216ORRZG葡一霹式中法兰颈部轴向应力，MPA法兰环的径向应力，MPAORR法兰环的环向应力，MPAA系数，查GBL50可得厂整体法兰颈部应力矫正系数万，法兰有效厚度，MMD，法兰内径，鼬E参数，查GBL50可得】，参数，查GBL50可得Z参数，查GBL50可得17哈尔滨工程大学硕士学位论文算得点E垒一鬻406203512，熏L7622546221，H04磊54652磊52。查GBL50图97F10，根据公式名RRL，Y圳矿，R，Y6FEL，E互HO，查得墨09，得出E00055，Y2。12，163，T至3，叩等，峨等瓯2。查得U23，K。，叩。8，最后得出A25。查得Y23，Z16。最后带入数据，算得竺垒一竺堕掣286MPO“HA，葡西历丽骊石石籼等峨号鬻XL5X109酌胁，拶R烹YMO一勋2型型一166647MPA。2面卅220352X5461石6如法兰应力校核由于法兰轴向应力是由弯矩产生的沿径向分布不均匀的弹性力，按安定设计的原则，其许用应力可取较高者，即应满足如下要求ORH915【仃矸与25【盯巧之小值。法兰材料为0CRL8NIL0TI，【仃诈篇52015347MPA。286MPM，这样扳手就可以克服摩擦阻力进给到法兰表面。2预紧力预紧力由拉伸液压缸给定，根据前面的计算设定预紧力为F5X105N。432重要零件设计与校核1。拉轴1关键尺寸确定401拉轴材料为1CRL7NI2，抗拉强度【CR6】15720MPA，根据公式、蠢三【】1080MPA，谗用应力为每5式宁么截囱积，姗F拉力，N。【】需用应力，MPA得她南黧等洲姗2。根据彳怒号跳出撼D挣4_6得出抛胨6297蛐。实际选取拉轴最小直径为拉轴后端直径D375MM。翦端内径以标准螺纹大径为参照，选取D290MLIL，根据哈尔溟工程大掌嫉士学健论文4三D12一D22得出公式马一P24罢C47式中DL前端外径，MM皿，前端内经，锄得出Q、694I948MM，实际选取DI135衄以接近于螺母直径。0强度校核拉轴由于所受转矩很小可以忽略不计，而所受拉力的危险截面出现在截西_面积最小处，分别算出各段截面大小。前端截面4三D12D2之竽13529027948125MM2，后端截面积彳詈或2专芋698238246MM2，所以危险截面出现在后端的螺纹小径处。算得该载面处的应力为拶石F磊5X赢105130。7MPA】720MPA。属3824。6一所以安全。2转轴1关键尺寸确定由于转轴只是空载下传递转矩，但初始预定的力矩为5N躐，它主要承受一个很小的扭矩。材料为9CRL8MO，OB590785MPA。转轴的内径与拉轴豹蜃端直径配合，因此转轴的内径D475M越，外径通过强度公式算出。根据抗捶截匿模量公式52哈尔滨工程大学硕士学位论文呢鲁48扭矩剪切应力公式空心圆截瑟极惯性矩公式得出鞋。霄L警H4F一雌棚31一口4式中咒抗扭截蔼模量，MILL3，一截面极惯性矩，MLN4足辨半径，锄F一最大剪应力，MPA材。截垂扭矩，NMMD外径，MM口内外径比筐取转轴最小外径为90MM，算出口旦垒7550。833，口一二。TD戗90。拦笋8334334106耐，J堕氅0067MPI“。FT，F一呻314X9031一O8334】5349410夺11晗尔溟工程大学硕士学位论文【JR】一般取O5O6【】，P卜西600拳400MPA，所以P】05X400200MPA。因0067MPAR】200MPA，所以转轴最小外径选取90MM是合理的。2强度校核转轴主要受到扭矩的作用，危险截面出现在螺纹小径处，螺纹小径约为848越M，口未她884，算得F哦瓦两两16X5000O107MPA，F一0107MPA200MPA，所以结构安全。由于转轴端部开有螺纹孔，螺纹孔排列在直径等于80MM的圆周上，螺纹孔直径为2MM，把直径80MM减去两个螺纹孔半径简化为转轴酌最小壹径78RAM，而口丙75O962，算得F一孬丽16砥X5丽0000374MPA，“TMU奄0374MPAZ“】200MPA，结构安全。从校核结果不难看出，壁厚15111111的转轴，其强度也能够满足，面主要的载荷都镰中在拉轴E。44本章小结本章主要介绍和分析了扳手系统的结构原理和工作过程，分析了该扳手系统的拉伸运动链和旋转运动链，并进行了该扳手系统的误差分析，补偿分析和工作过程分析，最后对扳手重要零件进行了强度的校核。啥尔滨工程大学硕士学位论文第5章扳手系统力学分析与仿真研究5。1引言机械系统合理性必须通过理论的计算和专业软件的分析，ANSYS的静力学分析和ADAMS的运动学分析在对机械系统分析时比较可靠权威。本章在越伸预紧及位置补偿方法设计分析完毕之后，通过这两种权威软件详细避分析了该拉伸预紧位置补偿扳手的静力学和运动学过程。52基于ANSYS扳手静力学分析ANSYS软件是一个功麓强大雨灵活麴大型通焉有限元软件。能够进行包括结构力学、热力学、流体力学等多学科的研究，广泛应用于核工业、航空航天、石油化工、机械制造、土木工程、造船、地矿、水利、家用电器等工业和科学研究领域，是世界上拥有用户最多、最成功的有限元软件之一F4。主要特点有实现多场及多场耦合分析；实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化；具有多物理场优化功能强大的非线性分析功能；多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置；支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行；多种自动网格划分技术；良好的用户开发环境L诺。5。2。拉伸预紧位量补偿扳手重要零件的强度分析滞删ANSYS分析过程包含兰个主要的步骤创建有限元模型；施加载荷及设定约束条件并求解；查看分析结果滞J。在ANSYS计算中，单元的选取是计算关键的一步，关系到计算的成败和计算的成本。对于粱、柱、板、侧墙等可以采用SOLID45单元来模拟三维实体。该单元用于构造三维实体结构，通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着XYZ方向平移的自由度，如图51，单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变錾兰誓I；堡奎茎至圭茎些鎏兰形和大应变能力。六面体图51SOLID45单元NR5211拉轴的强度分析在拉伸预紧位置补偿扳手中，拉轴是承受载荷晟大的零件，拉轴在拧入螺栓的过程中是旋转运功，主要受到转矩的作用，而转矩相对于拉力很小，所以在进行拉轴的强度校核时，主要考虑的是拉轴的受拉情况。当拉轴受拉的时候，拉轴没有旋转运动，所以拉轴受静载作用，用ANSYS对其进行静力学分析。1单元选取和划分网格首先，针对材料为1CR7NI2的不锈钢，选择三维结构实体单元类型为SOLID45，定义材料的弹性模量为2LELL和泊松比03。由于拉轴结构不复杂而受力较大，所以直接在ANSYS中建模，手动划分规则的网格，如图52所示，对于结构复杂的零件可以直接从PROENGINEER软件中导入”。2施加约束和载荷图52拉轴有限元网格划分多燮哈尔滨工程大学硕士学位论文如图53所示，拉轴的前端拧入螺栓，通过螺纹副施加拉力于螺栓上，由于螺纹处一般不会发生强度失效，所以在该拉轴内表面上施加一固定约束。拉轴的后端由于受到液压缸的拉伸，液压缸通过联轴器与拉轴螺纹连接，在该处受到一个F500000N的拉力。在拉轴安装齿轮的圆周表面上受到一个5NM的转矩。图53拉轴约束和受力3应力图由图54中不难看出该拉轴的危险截面出现在大小截面的交界处。阶梯轴是轴类零件中的常见结构，其倒角处的应力集中是轴类零件疲劳失效的主要原因”。危险截面出现在圆角处，圆角半径为R100MM，这样的平滑过渡面把最大应力限制在206991MPA内，小于拉轴材料的许用极限。图54拉轴应力图4位移图如图55所示，拉轴在轴向拉力下产生了变形，在拉轴的后端部产生了轴向的最大位移为O217MM，这里位移也是最终液压缸行程的一部分液压缸的行程包括螺栓变形，垫片变形，法兰变形，管道初始距离等等。篁尘鎏士垒奎茎鎏圭兰堡耋兰图55拉轴位移图5结论从ANSYS的分析结果可以看出，拉轴受到一个相当大的应力，理论上危险截面出现在最小截面处，而ANSYS的分析结果却不一样，危险截面出现在圆角处。其实理论计算和ANSYS分析都是正确的，理论计算没有计算应力集中，而ANSYS校核分析出来了该扳手的的大径和小径的过渡处出现了应力集中现象，但最大应力小于材料的许用应力，所以校核成功。5212转轴的强度分析转轴在拧紧系统中是传递扭矩的零件，最终通过预设的定力矩紧靠到法兰端面。该转轴相对于拉轴来说，是一个圆筒，而且壁厚很小在转轴的端面通过螺栓施加转矩。1选取单元，建模施加约束和力材料为9CRL8MO，口590785MPA，选取SOLID45单元，对其进行网格划分，并施加约束到转轴的后端螺栓孔上，在前端花键处施加5000NMM的转矩，转矩是通过在花键的一个侧面施加力来达到转矩的效果，如图56。2应力图转轴通过后端的螺栓孔来施加转矩，前端通过花键来施加转矩，理论上最大应力出现在螺栓孔处，在ANSYS的校核中，如图57，最大应力也出现在螺栓孔处，最大应力为O856MPA，远远小于材料的许用应力。3结论哈自滨工程大学硕士学位论文通过ANSYS的分析，最大应力出现在螺栓孔处，符合实际情况。设受力弹性体具有小孔，则孔边应力将远大于无孔时的应力，也远大于距孔稍远处的应力。这种现象称为JL边应力集中。孔边应力集中是局部现象，绝不是由于截面减小而应力有所增大。圆孔附近发生了明显的应力集中现象，且孔径越小应力集中越明显，应力突然变大的趋势越快】。该转轴的转矩最终体现在两个位置，第一螺纹孔，第二花键，螺纹孔的应力最大毋庸置疑，在花键一侧受力面的两端出现了应力较大值，说明了花键实际工作中受力端的应力都集中到花键长度的两末端，中问几乎是不受力的。图56转轴约束和力图57转轴应力图5213端盖的强度分析端盖也是传递转矩，它能够沿着转轴轴向滑动，通过内径处的花键槽受到来自转轴传递的转矩，另外它又通过螺栓孔传递转矩给扳手。1选取单元，建模施加约柬和力材料和转轴一样，选取SOLID45单元，对内径处的花键施加一个转矩，对螺纹孔处进行全自由度约束，如图58所示。2应力由于端盖螺栓孔处的厚度较大，而内径处的花键槽较短，所以应力最大出现在内部花键槽受力一侧的两端，如图59。最大应力为03MPA，远远小于材料许用应力。E9哈尔滨工程大学硕士学位论文3结论传递转矩通过两种方法进行，种是螺栓孔，一种是花键，危险点不是螺纹孔就是花键两端，而到底出现在什么地方，就看它们具体的结构尺寸。端盖中由于螺纹孔处的厚度较大，而花键长度则比较短，所以晟大应力出现在花键槽受力一侧的两端，符合花键受力情况，产生了应力集中现象。图58端盖约束和力图59端盖应力图5214扳手的强度分析扳手是最终拧入螺母的零件，是直接受到螺母扭矩的零件它的一端安装螺母，一端和端盖通过螺栓相连，也是传递转矩的。1选取单元，建模施加约束和力材料和转轴一样，选取SOLID45单元，对其进行网格划分，再对扳手前端内六角处施加固定约束，对后端篪加力矩，如图510所示。2应力扳手应力如图51I所示，所受转矩不大，扳手的后端部是螺栓孔传递转矩，所以应力出现在螺栓孔处，最大应力为0475MPA，远远小于材料的许用应力，所以校核合格。3结论从图中不难看出，扳手的应力集中在螺纹孔处，同时，在前端大径与小径过渡的地方也比其他地方应力来的稍微大一些，原因与前面所述相同，这60窒尘鎏三堡盔兰至圭茎鎏坠蚤里不再累赘。图510扳手约束和载荷图511扳手应力图522扳手静力学分析总结通过以上分析，我们不难得出，对于结构和形状简单的拉轴受到了最大的载荷，由于受到应力集中的因素影响，危险截面不是出现在理论计算的最小截面处，而是出现在大小轴径过渡处。而仅受扭矩的转轴等零件，形状复杂，但由_丁载荷相对较小的缘故，所以很安全。53基于ADAMS扳手运动学仿真ADAMSAUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEM软件是美国MDIMECHANICALDYNAMICSINC公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交瓦式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用GNIJ体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线”“。ADAMS在进行动力学分析时，对于特征值变化范围大的系统，ADAMS可相应采用三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序GSTIFF积分器、DSTIFF积分器和BDF积分器。而对于特征值经历突变的系统或高频系统则采用坐标分离算法及ABAMADAMSBASHFORTHANDADAMSMOULTORT积分求哈尔滨工程大学硕士学使论文解程序，来求解独立坐标的微分方程。ADAMS可利用IGES、STEP、STL、DWGXF等产品数据交换麾的标准文件格式完成与其他C燃黼A嚣软件之间的数据双向传输，从而实现同数据在不同软件闻的无缝连接【5LL。531拉伸预紧位置补偿扳手的运动学分析扳手系统在从扳手的进给到螺母的拧紧过程中，涉及到很多复杂的因素。该系统中扳手座的进给运动。完全是一个恒定的速度轴向进给，拉轴的拉季螺栓过程是一个力和位移的关系，拉伸扳手中的螺母进给是一个间隙性的进给等等。褥对于运动学分析的过程，我们要紧扣主要因素，忽略次要因素，进行合理高效的仿真。1几何建模ADAMS是一种可视化仿真分析软件，分析的主要对象为刚体。由于其软件造型功能较弱，采取在P轮愿软件中构建三维实体模型，定义模型刚体及添加相应的关节约束后。通过MECHPRO接口软件，将三维模型导入到ADAMS中进行仿真分析”21。ADAMS中的建模可以有两种方法，一种方法是使用ADAMSEXCHANGC模块从其他CAD软件如PROE中输入零件模型，另一种方法是使用ADAMSVIEW创建出包含零件特征的简单物体然后重新定义物体的质心、质量、转动惯量等物理特征。毒于扳手系统缀复杂，不便于在ADAMS里直接建模，所以采取第一种方法，在PROE中建立系统模型IS3，直接把P玲缆中的实体模型导入到ADAMS中，如图512所示。模型导入ADAMS中对模型进行简化处理，因为扳手系统中，螺母库中的开会器、旋转器等对扳手系统没有益接的联系，所以可以删除；螺拴库中，ELJ于螺栓库只是插入螺栓，所以螺栓库也不在此模型之内最后选取两个管道、密封垫片、螺栓、扳手帮扳手座为一个简化模型。由于模型过于复杂，这里把模型再分为三个阶段，依次叠加研究。第一，扳手匀速进给，速度、阻力鞠位移之闻的关系；第二，仿真螺栓受力变形，垫片受力变形，螺栓的总伸长量和受力的关系；第三，仿真扳手拉伸螺栓变彤，垫片变形，螺栓总伸长量和受力的关系。錾垒鎏圭堡奎兰筌圭茎竺鎏三图512拧紧系统几何模型2创建约束副在第一个模型中，对固定法兰施加一个固定副FIXEDJOINT，在固定法兰和扳手之间旌加一个螺纹副SCREWJOINT。在第二个模型中，两个法兰要在螺栓的张紧下有轴向位移，所咀对活动法兰施加一个沿着轴向的移动副TRANSLATIONALJOINT，对固定法兰施加一个固定副，如图513所示。图513模型二运动副和约柬哈尔滨工程大学硕士学位论文第三个模型在第二个模型的基础上加上扳手，对两端法兰依旧旌加固定副和移动副，对拉轴与转轴之间施加一个圆柱副6CYLINDRICALJOINT，对转轴与扳手座施加旋转副7REVOLUTEJOINT，扳手座施加固定副8，扳手最终拧入螺母的零件与转轴之间施加一个移动副5，同时又在前端施加一个螺纹副3，拉轴也与螺栓之间加一个螺纹副，如图514所示。1移动副2固定副3螺纹副4螺纹副5移动副6圆柱副7旋转副8固定副图514模型三运动副和约束3旌加载荷第一个模型较为简单，只是一个匀速进给的过程，这里不详细研究。第二模型中，在两个法兰之间创建一个弹簧SPRING作为密封垫片，该弹簧刚度为世。，在活动法兰左侧和固定法兰右侧100MM之间创建一个弹簧因为拉伸螺栓的拉轴距离固定法兰端面100MM，该弹簧的刚度为丘，该刚度为16个螺栓的总刚度，给该弹簧施加一个轴向力F80106N，该力等于1