劉 翔 于洪杰 錢才富
(北京化工大學機電工程學院)
基于有限元法的法蘭工程設計軟件開發(fā)
劉 翔 于洪杰 錢才富
(北京化工大學機電工程學院)
為實現(xiàn)非標設備法蘭的分析設計和優(yōu)化設計,建立了整體法蘭參數(shù)化有限元分析模型,根據(jù)Taylor-Waters法蘭應力分析和壓力容器分析設計中應力分類準則,給出了基于有限元法的法蘭強度與剛度計算方法和校核判據(jù),采用ANSYS 參數(shù)化設計語言和VB編程工具,開發(fā)了基于有限元法的法蘭工程設計軟件CFFEA。應用該軟件對某工程中的非標設備法蘭進行了優(yōu)化設計,優(yōu)化結果符合ASME Ⅷ-2-4.16的規(guī)定。
設備法蘭 有限元法 優(yōu)化設計 工程設計軟件
法蘭作為壓力容器設備和管道的重要連接部件,廣泛應用于石油、化工、能源及機械等各工業(yè)領域。目前,許多國家的法蘭設計主要基于以Taylor-Waters法為基本理論的標準規(guī)范[1~5]所開發(fā)的工程設計軟件。在我國工程設計中,標準法蘭主要依據(jù)相應標準進行選用,如NB/T 47020~47027-2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》[6],非標設備法蘭設計普遍采用SW6設計軟件,該軟件執(zhí)行GB 150-2011標準。
隨著有限元數(shù)值計算與計算機技術的進步與發(fā)展,有限元法為壓力容器、機械設計提供了更加精確的技術手段和計算方法,也為設備法蘭數(shù)值分析和優(yōu)化設計提供了強有力的工具[7~10]。
為實現(xiàn)非標設備法蘭的分析設計和優(yōu)化設計,方便工程師對法蘭進行直接且精確的結構設計,避免人工多次試算的復雜過程,筆者采用ANSYS 參數(shù)化設計語言與VB編程工具,開發(fā)了基于有限元分析(FEA)的工程設計軟件CFFEA。該軟件可直接計算出滿足強度和剛度的法蘭結構尺寸。
1.1 法蘭參數(shù)化有限元幾何模型
設備法蘭結構和幾何參數(shù)如圖1所示。
圖1 設備法蘭幾何結構和尺寸參數(shù)
法蘭、螺栓、螺母和筒體的結構單元均采用Solid185單元,采用四邊形網(wǎng)格劃分模型,根據(jù)法蘭結構、內(nèi)徑大小,軟件自動調整單元網(wǎng)格大小,以保證計算結果的精確性。
1.2 邊界條件及載荷
法蘭有限元模型的邊界條件和加載示意圖如圖2所示。
圖2 法蘭有限元模型邊界條件和加載示意圖
邊界條件1,與法蘭連接的筒體上端面,施加軸向固定約束。
邊界條件2,法蘭和筒體內(nèi)壁,在預緊工況下為自由邊界,在操作工況下施加介質壓力。
邊界條件3,沿法蘭周向兩側周期性軸對稱截面,施加對稱約束。
邊界條件4,墊片內(nèi)徑與法蘭內(nèi)徑之間法蘭端面,預緊工況下為自由邊界,操作工況下施加介質壓力。
邊界條件5,與墊片接觸的法蘭密封面,預緊工況下為預緊工況下墊片載荷,操作工況下為操作工況下墊片載荷,載荷大小根據(jù)ASME Ⅷ-2-4.16節(jié)公式進行計算[2]:
預緊工況Ha=πGby/SG
(1)
操作工況Hp=2πGbmp/SG
(2)
式中b——墊片有效密封寬度,mm;
G——墊片作用中心圓直徑,mm;
Ha——預緊工況下單位面積上的墊片載荷,MPa;
Hp——操作工況下單位面積上的墊片載荷,MPa;
m——墊片系數(shù);
p——介質壓力,MPa;
SG——墊片總面積,mm2;
y——墊片比壓,MPa。
邊界條件6,法蘭和筒體外壁為自由邊界。
邊界條件7,螺栓根徑的橫截面,分別施加預緊工況下螺栓載荷和操作工況下螺栓載荷,載荷大小根據(jù)ASME Ⅷ-2-4.16節(jié)公式進行計算[2]:
預緊工況Wg=0.5(Am+Ab)Sbg/Ab
(3)
操作工況Wo=(0.785G2+2πGbmp)/Ab
(4)
式中Ab——實際螺栓總截面積,mm2;
Am——需要的最小螺栓總截面積,mm2;
Sbg——常溫下螺栓材料的許用應力,MPa;
Wg——預緊工況下單位面積上的螺栓載荷,MPa;
Wo——操作工況下單位面積上的螺栓載荷,MPa。
邊界條件8,螺母與法蘭接觸端面,施加耦合接觸約束。
1.3 法蘭強度與剛度校核判據(jù)
由于介質壓力對整個法蘭既有徑向作用又有軸向作用,因此,參照文獻[12],建立如圖3所示的3條分析路徑,路徑P1為錐頸小端與筒體連接處沿筒體厚度方向的橫截面上的路徑,路徑P2為錐頸大端與法蘭環(huán)連接處沿錐頸厚度方向的橫截面上的路徑,路徑P3沿法蘭環(huán)厚度方向。參照文獻[13]中法蘭應力分析和JB 4732-1995[14]中應力分類準則,對各路徑上法蘭強度進行校核。法蘭環(huán)和錐頸兩端路徑上的一次局部薄膜應力強度SⅡ應控制在1.5倍的許用應力內(nèi),一次加二次應力強度SⅣ應控制在3.0倍的許用應力內(nèi)。
圖3 法蘭有限元分析路徑示意圖
法蘭剛度以法蘭環(huán)轉角表征,其大小等于法蘭環(huán)內(nèi)外徑上最大軸向位移差與0.5倍法蘭環(huán)內(nèi)外徑差之比的反正切值[15],即:
(5)
式中A——法蘭環(huán)外徑,mm;
B——法蘭環(huán)內(nèi)徑,mm;
Δz——法蘭環(huán)內(nèi)外徑最大軸向位移差,mm;
θ——法蘭環(huán)轉角,(°)。
根據(jù)文獻[16]可知,長頸對焊法蘭的法蘭轉角最大值不超過0.3°。據(jù)此,法蘭強度和剛度判據(jù)如下:
預緊工況SⅡ=PL≤1.5KSfo,
SⅣ=PL+Pb+Q≤3.0KSfo
操作工況SⅡ=PL≤1.5KSfg,
SⅣ=PL+Pb+Q≤3.0KSfg
其中,Sfo為操作工況下法蘭材料的許用應力,MPa;Sfg為預緊工況下法蘭材料的許用應力,MPa;K為載荷組合系數(shù),根據(jù)JB 4732-1995[14]表3-3選取,文中K=1.0。
利用VB編程工具,引入shell函數(shù),開發(fā)交互式操作界面,調用ANSYS程序,實現(xiàn)法蘭有限元數(shù)值分析和優(yōu)化設計。
CFFEA設計軟件主界面如圖4所示,通過文件操作、設計數(shù)據(jù)輸入、計算運行及結果獲取(包括FEA數(shù)值計算結果和基于ASMEⅧ-2-4.16常規(guī)計算結果)等模塊,可以實現(xiàn)法蘭分析設計和優(yōu)化設計計算,獲得法蘭在設計工況和操作工況下的各項應力、應力強度和轉角;通過優(yōu)化設計得到法蘭最佳結構尺寸。同時,可以進行基于ASME Ⅷ-2-4.16的強度和剛度校核,通過分析報告模塊自動生成計算和分析報告。
圖4 CFFEA法蘭工程設計軟件主界面
通過該界面,輸入設計壓力、設計溫度、已知幾何結構尺寸及材料特性等參數(shù),輸入法蘭初始設計尺寸和材料特性。
螺栓和墊片參數(shù)輸入界面如圖5所示。螺栓個數(shù)通過螺栓間距、螺栓公稱直徑及墊片內(nèi)外徑等參數(shù)進行計算,避免了螺栓截面積和螺栓個數(shù)的人工估算。對于標準法蘭,螺栓作用中心圓直徑C可直接輸入。對于非標法蘭,由于錐頸大端厚度為設計變量,針對螺栓作用中心圓直徑C隨錐頸大端厚度g1大小而變化的特點,軟件實現(xiàn)了螺栓作用中心圓直徑C參數(shù)化計算,其大小通過輸入法蘭錐頸大端厚度g1、法蘭內(nèi)徑B、螺栓間距LA(錐頸大端直徑與螺栓作用中心圓直徑的距離)進行計算和調整。
圖5 CFFEA法蘭工程設計軟件參數(shù)輸入界面
對于標準法蘭和非標法蘭,軟件實現(xiàn)了法蘭外徑A的參數(shù)化計算。標準法蘭外徑A通過輸入螺栓間距LE(螺栓作用中心圓直徑與法蘭外徑的距離)和螺栓作用中心圓直徑C進行計算。非標法蘭外徑A通過輸入法蘭錐頸大端厚度g1、法蘭內(nèi)徑B、螺栓間距LE、螺栓間距LA(錐頸大端直徑與螺栓作用中心圓直徑的距離)進行計算和調整。
采用CFFEA軟件輸入的法蘭尺寸參數(shù)為基礎尺寸,以錐頸高度h、錐頸大端厚度g1、法蘭環(huán)厚度t、螺栓間距(LA、LE)、直邊段長度L及墊片內(nèi)外徑(Bg、Ag)等參數(shù)中的一個或多個設計參數(shù)為設計變量,以法蘭重量為目標變量,以法蘭應力強度和法蘭轉角為狀態(tài)變量,進行法蘭優(yōu)化分析設計,計算出法蘭最佳設計尺寸,提高法蘭設計的經(jīng)濟性。
采用CFFEA法蘭工程設計軟件進行法蘭設計時,只需要設計人員輸入設計參數(shù)和設置優(yōu)化條件,即可實現(xiàn)法蘭優(yōu)化分析設計,不要求設計人員掌握ANSYS軟件。法蘭優(yōu)化設置界面如圖6所示。
圖6 法蘭優(yōu)化設置界面
采用CFFEA法蘭工程設計軟件,對某工程中的一臺浮頭式換熱器管箱側法蘭進行結構設計。筒體、法蘭、螺栓和墊片的設計壓力均為1.05MPa,設計溫度均為340℃。
該浮頭式換熱器管箱內(nèi)徑為1 200mm,殼體內(nèi)徑為1 300mm。根據(jù)設計條件和工藝參數(shù),管箱側法蘭(即2號法蘭)依據(jù)文獻[6]選取公稱壓力為1.6MPa、公稱直徑DN1300mm的標準設備法蘭。對于殼程側法蘭(即1號法蘭)屬于非標法蘭,設定其初始幾何結構參數(shù)如下:
法蘭內(nèi)徑B1 200mm
法蘭外徑A1 460mm
螺栓中心圓直徑C1 415mm
法蘭有效厚度t100mm
錐頸大端厚度g145mm
錐頸小端厚度g016mm
錐頸高度h65mm
螺栓孔直徑d127mm
直邊段長度L(不包含與其連接的圓筒體長度) 30mm
法蘭高度H191mm
筒體內(nèi)徑BI1 200mm
筒體外徑AI1 232mm
筒體有效厚度ts16mm
螺栓公稱直徑dbM24
螺栓數(shù)量n44mm
墊片內(nèi)徑Bg1 315mm
墊片外徑Ag1 355mm
墊片比壓力y50MPa
墊片系數(shù)m3
墊片選用DN1 300mm、PN1.6MPa的標準墊片,材料為復合柔性石墨不銹鋼波齒墊,法蘭材料為16MnⅡ鍛件,螺栓材料為35CrMoVA螺栓,筒體材料為Q345R,材料特性見表1。
表1 法蘭結構材料參數(shù)
采用CFFEA軟件對1號法蘭的初始設計尺寸進行優(yōu)化分析設計。
各變量范圍和優(yōu)化分析設置如圖6所示,以法環(huán)厚度t和錐頸高度h為設計變量,優(yōu)化計算次數(shù)設置為10次,優(yōu)化方法選擇一階優(yōu)化法進行法蘭優(yōu)化分析設計。CFFEA軟件優(yōu)化設計計算在第9次達到收斂,經(jīng)過優(yōu)化設計,法蘭厚度由初始100mm降低到最佳厚度為71mm,法蘭1的最終設計幾何尺寸如下:
法蘭外徑A1460mm
螺栓中心圓直徑C1 415mm
法蘭有效厚度t71mm
錐頸大端厚度g145mm
錐頸高度h67mm
直邊段長度L26mm
法蘭高度H164mm
基于ASME Ⅷ-2-4.16計算公式,對CFFEA軟件所計算的法蘭1進行校核計算,結果如圖7、8所示,法蘭強度和剛度符合ASME Ⅷ-2-4.16的規(guī)定。
圖7 操作工況下計算結果
圖8 預緊工況下計算結果
4.1 針對非標法蘭,提出基于有限元法及相關標準(如ASME Ⅷ-2-4.16)的強度和剛度設計計算方法。
4.2 應用VB編程工具和ANSYS 參數(shù)化設計語言對ANSYS有限元軟件進行二次開發(fā),得到了 CFFEA法蘭工程設計軟件,可實現(xiàn)非標法蘭的分析設計和優(yōu)化設計,提高了非標法蘭的設計效率。
4.3 CFFEA軟件對法蘭一次局部薄膜應力強度SⅡ控制在1.5倍許用應力內(nèi),對一次加二次應力強度SⅣ控制在3.0倍許用應力內(nèi),對法蘭轉角最大值控制在0.3°內(nèi)。
4.4 CFFEA軟件以法蘭重量為目標變量,以各項應力強度和法蘭轉角為狀態(tài)變量,進行法蘭結構的優(yōu)化設計,得到了滿足強度和剛度要求的法蘭最佳尺寸。
4.5 采用CFFEA軟件對某浮頭式換熱器殼體非標法蘭進行了優(yōu)化分析設計,所設計出的法蘭強度和剛度符合ASME Ⅷ-2-4.16的規(guī)定。
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DevelopmentofFlangeDesignSoftwareBasedonFiniteElementMethod
LIU Xiang, YU Hong-jie, QIAN Cai-fu
(BeijingUniversityofChemicalTechnology)
In order to achieve numerical analysis and optimal design of non-standard flanges, the parameterization finite element model of integral flanges was established and the stress classification criterion stipulated for Taylor-Waters flange stress analysis and the pressure vessel design were based to propose the finite element method-based calculation methods and check criteria. Through making use of ANSYS parametric design language and VB program, the CFFEA software for the design of non-standard flanges was developed. Applying it to optimize the design of non-standard flanges shows that, the optimization results comply with the regulations of ASME Ⅷ-2-4.16.
equipment flange, finite element analysis, optimal design, engineering design software
北京市朝陽區(qū)協(xié)同創(chuàng)新項目(XC1416)。
劉翔(1987-),碩士研究生,從事化工機械設計和應力分析工作。
聯(lián)系人于洪杰(1972-),副教授,從事化工過程機械有限元分析、計算機輔助工程等研究,yuhj@mail.buct.edu.cn。
TQ051.8+1
A
0254-6094(2017)03-0302-06
2016-06-12,
2016-12-24)