妙 叢，張 震，安 剛(北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

在某氫液化裝置系統(tǒng)中，需要設計一個帶有大直徑多開孔的立式冷箱法蘭，法蘭既要承受-0.1 MPa的因真空產(chǎn)生的大氣壓力，又要承受法蘭自重和懸掛于法蘭下的設備重量(大約10噸左右)，根據(jù)冷箱內(nèi)設備的布局已經(jīng)初步敲定了法蘭的開孔位置和個數(shù)以及法蘭直徑3600 mm，現(xiàn)需要通過計算和有限元分析得出法蘭的最優(yōu)厚度，并驗證法蘭開孔布局是否合理以及法蘭的結(jié)構(gòu)強度是否滿足實際使用需求。

從圖1可以看出，法蘭開孔非常多，最大孔直徑為760 mm，本文擬通過SW6-2011軟件初步計算出法蘭的最小厚度，再通過Ansys14.5有限元分析軟件分析法蘭受力情況，驗證得出的最優(yōu)厚度和開孔布局是否滿足實際使用需求，如若不滿足要求則增加法蘭厚度或更改開孔布局再次驗證。

圖1 大直徑多開孔法蘭簡圖

有限元法在分析結(jié)構(gòu)強度方面具有獨特的優(yōu)越性，它能夠更全面、更直觀地反映應力分布規(guī)律，參數(shù)化的建模方式使批量分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化變得更加簡單[1]。目前，該方法已在大開孔結(jié)構(gòu)的分析計算中得到了大量應用[2-5]。

1 計算輸入

法蘭選用S30408材質(zhì)，該材料在設計溫度下的許用應力[σ]t=137 MPa，該材料在試驗溫度下的許用應力[σ]=137 MPa，鋼板厚度負偏差C1=0，鋼板腐蝕裕量C2=0，液柱靜壓力忽略不計，所以計算壓力pc=-0.1 MPa。

法蘭其他強度計算輸入見表1，選用的法蘭結(jié)構(gòu)形式見圖2，其他不再贅述。

表1 法蘭強度計算輸入

圖2 法蘭的結(jié)構(gòu)形式簡圖

2 計算結(jié)果

設計溫度25 ℃下封頭的計算厚度，按式：

式中：δp—封頭計算厚度，mm；K—平蓋系數(shù)，此處為取預緊時值0.3；pc—計算壓力，MPa；φ—焊接接頭系數(shù)。

通過SW6-2011進行計算后得出法蘭的最小厚度也為70.03 mm，見表2。

表2 法蘭厚度計算結(jié)果

3 仿真驗證

結(jié)合上述計算結(jié)果，使用ANSYS14.5對法蘭進行應力分析，綜合考慮坯料厚度、安全系數(shù)、設備總重以及經(jīng)濟等因素，厚度預設為80 mm。

3.1 網(wǎng)格劃分

首先使用5級智能網(wǎng)格劃分方式自動劃分網(wǎng)格，使用PLANE182類型，共生成13260個單元，如圖3所示。

圖3 法蘭網(wǎng)格劃分

3.2 施加載荷

對法蘭施加以下載荷和約束：

1)施加向下的-0.1 MPa的大氣壓力載荷；

2)法蘭本身自重載荷，65000 N。

3)由于冷箱是立式懸掛式結(jié)構(gòu)，冷箱內(nèi)所有的設備重量全都施加到法蘭上，這里考慮極端假設，即所有的設備重量都集中在法蘭中心，載荷大小為150000 N。

4)假設筒體為剛性，對法蘭形成向上的固定約束。

3.3 解析計算與結(jié)果

從圖5位移量云圖可以看出法蘭最大變形量出現(xiàn)在法蘭中心處，為7.9 mm，法蘭邊緣位移量僅為0.4 mm，此變形量對于如此大直徑法蘭而言可以忽略不計。從圖4應力云圖可以看出，最大應力為15.3 MPa，出現(xiàn)在靠近法蘭中心附近開孔處，其值遠遠小于S30408的許用應力137 MPa，并且從應力云圖橫斷面看應力從表面向中心呈逐漸變小趨勢，證明法蘭所受應力并不會延伸至法蘭內(nèi)部，不會對法蘭內(nèi)部造成損傷，所以綜合應力、位移量云圖和前面SW6-2011的計算結(jié)果可以判斷，80 mm厚法蘭完全滿足實際使用需求，法蘭開孔布局合理。

圖4 法蘭應力云圖

圖5 法蘭位移量云圖

4 實際使用情況

圖6 法蘭實物圖

目前本文所設計大直徑多開孔法蘭已經(jīng)應用于實際生產(chǎn)，使用效果良好，未出現(xiàn)斷裂、壓塌、裂紋等缺陷，因變形量特別小，受儀器限制，未發(fā)現(xiàn)明顯的位移量，這與仿真結(jié)果一致，法蘭實物見圖6所示。

5 結(jié)論

對3600 mm大直徑多開孔法蘭進行了結(jié)構(gòu)強度的計算和有限元仿真分析，得到如下結(jié)論：

1)對于大直徑多開孔法蘭的設計應充分理解標準GB150—2011〈壓力容器〉，并結(jié)合仿真軟件進行結(jié)構(gòu)強度的計算和仿真分析，在經(jīng)濟條件、總重量等因素允許的情況下，應留有足夠的安全系數(shù)。

2)對于多開孔法蘭，應力云圖應該關(guān)注開孔處橫斷面的應力變化趨勢，不能只關(guān)注最大應力值。

3)本文所計算法蘭中心附近處開孔較小，所受應力也較小，對于開大孔的法蘭應該盡可能避免在中心處開孔。

4)對于大直徑法蘭開大孔應盡可能靠近法蘭邊緣，必要時需要進行補強。