直拉式螺栓弹性交互作用的数值模拟

直拉式螺栓弹性交互作用的数值模拟

0弹性交互作用系数法的应用均匀的螺钉预紧负荷是实现长期以来螺钉密封的关键，尤其是在高温和变温的条件下。但是由于通常难以对所有螺栓同时加载,故依据一定次序加载时,螺栓之间的弹性交互作用对最终载荷的均匀程度有很大影响。自Campen提出采用弹性交互作用系数法获得均匀预紧载荷后,Bibel和Ezell,Nassar,Alkelani均证实了弹性交互作用系数法的正确性。但是,此方法需要确定弹性交互作用系数矩阵。由于影响交互作用的因素有很多,如螺栓数目、法兰规格、垫片型式及几何尺寸、加载方式(顺序、轮次、载荷增量)等,系数矩阵的获取较为复杂。Takaki等采用有限元方法也得到了该矩阵,但是,深入研究弹性交互作用规律,是提高弹性交互作用系数法实用性的根本。笔者依据建立的8螺栓试验装置研究了弹性交互作用规律,通过将交互作用简化为正作用及负作用,提出了简化的弹性交互作用系数法。但此规律能否适用于更大的法兰装置,还需要进一步探讨。文中采用有限元方法,对DN200,DN300的法兰在交叉和顺次加载方案下的弹性交互作用规律开展研究,为下一步的大型化施工预紧技术研究提供依据。1建立和验证模型1.1几何模型的建立及显著性测试模型选用HG20592—97中带颈对焊突面法兰,压力等级PN40,3种规格:DN100(8个螺栓),DN200(12个螺栓),DN300(16个螺栓)。法兰材料20号钢,弹性模量E=1.95×105MPa,泊松比ν=0.3;螺栓材料35CrMoA,E=2.03×105MPa,ν=0.3。垫片材料特性对模拟结果有很大影响,依据试验并参考文献,确定了带内外环型柔性石墨金属缠绕垫(简称SW,下同)、聚四氟乙烯/橡胶复合垫(简称PTFE,下同)的加、卸载曲线,见图1。根据模型对称性,以垫片厚度1/2处为对称面建立对称几何模型。法兰、螺栓选用Solid185单元。螺栓与法兰的接触区域选用Conta173和Targe170单元形成接触对。垫片采用Inter195单元,预紧工况采用预紧单元Prets179,选用形状规则的6面体网格以提高计算精度。经过试算,确定最佳网格尺寸为:螺栓4mm,法兰5mm,垫片单元4mm。网格划分后的DN100结构有限元模型如图2所示。在各螺栓与法兰上表面之间分别建立单独的接触对,约束螺栓和垫片对称截面节点处的轴向和环向位移。加载方案依据顺次及交叉加载两种方案进行。对不同规格的法兰,加载方案如图3及表1所示。与文献相同,采用5轮加载使螺栓逐步达到设定预紧载荷,轮次z=1~5。每轮对全部螺栓施加相同目标载荷[Ft]z。[Ft]1=3kN,[Ft]2=6kN,[Ft]3=10kN,[Ft]4=15kN,[Ft]5=20kN。此方案下每轮次对应的载荷增量为[ΔF]1=3kN,[ΔF]2=3kN,[ΔF]3=4kN,[ΔF]4=5kN,[ΔF]5=5kN。1.2螺栓载荷试验值对比建立DN100的试验装置,试验得到不同加载方式下的螺栓载荷。图4示出顺次及交叉对称加载方式下,螺栓载荷试验值与模拟值对比。除首轮外,螺栓载荷模拟值与试验值偏差均在8%以内。分析首轮误差偏大的原因是,试验中首轮螺栓载荷需用于填补垫片与密封面之间的初始间隙和微观不平,在数值模拟中无法体现这一过程。但从趋势及结果看,有限元模拟能够开展螺栓载荷交互作用规律研究。2结果分析2.1螺栓受负作用次数分布通过对DN100(8螺栓)、DN200(12螺栓)、DN300(16螺栓)三种法兰模型进行模拟计算,获得弹性交互作用在不同螺栓数目下的作用规律。图5~8分别示出在两种垫片下DN200,DN300法兰中各轮螺栓载荷分布情况。由图4~8可知,在交叉加载方案下,对于不同公称直径(螺栓数目)的法兰,各轮螺栓载荷分布状态具有较大差异。在DN200(12个螺栓)中,载荷分布呈现四周期W形特点。与DN100(8个螺栓)不同的是(见图4(a)),2,5,8,11号螺栓载荷处于最大值与最低值之间。在DN300(16个螺栓)中,螺栓载荷分布也分为四周期,但是一周期内的螺栓载荷呈现阶梯状分布。相比交叉加载方案中的差异性,在不同螺栓数目下,顺次加载方案中的螺栓载荷分布表现出很强的一致性。不同公称直径、不同螺栓数目的法兰中,各轮螺栓载荷分布形态基本相同,都呈现出典型的N形分布。根据文献,将螺栓载荷增加的作用定义为弹性交互正作用,将螺栓载荷降低的作用定义为弹性交互负作用。分析发现,螺栓数目对螺栓载荷分布的影响在交叉加载方案中的差异性和顺次加载方案中的一致性都是由负作用次数分布造成的。表2~4列出了不同规格法兰交叉加载及顺次加载方式中,第z轮次加载时,各螺栓所受的负作用次数(包含前z-1轮的负作用次数)分布规律。将表2~4中数据与图4~8相对比可以看出,负作用次数对螺栓载荷分布起到决定性影响,螺栓受负作用次数越多,其载荷值越低。对于交叉加载方案,由于负作用次数在不同螺栓数的法兰中存在不同的分布规律,螺栓载荷也表现出相应的分布形态。相比之下,顺次加载方案中,负作用次数分布规律不随螺栓数目的变化而改变,因此,顺次加载方案中的螺栓载荷分布规律更容易把握。2.2螺栓数目对螺栓载荷的影响为了研究螺栓数目对正、负作用的影响,选取1号螺栓的载荷值作为研究对象。图9,10分别示出了SW,PTFE两种垫片在两种加载方案下,第5轮中1号螺栓载荷随加载过程的变化。值得注意的是,图中的横坐标不再表示螺栓号,而是表示加载顺序,该顺序下对应的螺栓号,可参照图3和表1确定。从图9,10螺栓载荷变化形态上来看,无论螺栓数目为多少,1号螺栓的载荷变化过程都很相似,存在明显的正作用区和负作用区,并且呈现出典型的4区形式(交叉加载)和3区形式(顺次加载)。分析发现其他轮次的结果与此类似。从作用效果上,表5列出了不同螺栓数目法兰下,1号螺栓在第5轮加载中正、负作用区域使螺栓载荷的变化大小。从表5可以看出,在各个条件下,聚四氟乙烯复合垫中的正、负作用效果均强于石墨填充金属缠绕垫。随着螺栓数目的增多,正作用效果没有太大的改变,可以认为正作用效果不受螺栓数目影响。但是负作用效果对螺栓数目比较敏感,随着螺栓数目的增多,负作用效果明显增强。因此,越是大型的螺栓法兰密封结构,越容易受到负作用的影响,造成更多的螺栓载荷损失。这也是大型螺栓法兰密封结构预紧困难、不易形成初始密封的主要原因之一。3螺栓数目对螺栓连接的影响通过有限元模拟技术,建立了螺栓法兰接头在交叉及顺次加载方式下的有限元模型,通过建立DN100的法兰试验装置,利用试验结果对模拟值进行了验证,结果表明采用有限元技术研究螺栓之间的弹性交互作用是可行的。模拟发现:DN200(12个螺栓),DN300(16个螺栓)规格的法兰仍然具有弹性交互正作用和负