采用SolidWorks的压力容器法兰仿真设计方法研究

0 引言

    螺栓法兰连接设计是压力容器设计的重要内容，传统理论设计方法主要是基于强度理论，控制法兰的应力值在一定范围内。目前，法兰的设计计算方法是基于弹性分析的，对法兰力学模型使用的五条基本假设如下。

    1)法兰环和壳体均处在弹性状态，即不发生塑性屈服或蠕变。

    2)作用于法兰的外力矩可以由均匀作用于法兰盘内外圆周上的力所组成的力偶来代替。

    3)法兰的矩形截面不畸变扭曲，只是偏转了一个角度。

    4)操作内压力引起的薄膜应力略去。

    5)螺栓孔的影响略去。

    在基于弹性分析法的设计方法中，国际上主流的设计方法为Waters法，其认为：控制法兰强度的三个主要应力为法兰环上的最大径向应力、环向应力及锥颈上的最大轴向应力。主要设计过程为：首先进行垫圈和螺栓设计，确定垫圈尺寸及在法兰上的位置，螺栓孔尺寸、位置和数量；然后，参考法兰标准，选择材料、初拟其结构和尺寸，最后进行应力计算使之满足使用要求。设计结果只对应力进行校核，并没有给出如法兰偏转角的允许值。因而，此种设计方法基本上是经验设计。由于作了较多的假设，故设计结果与实际情况会有一定出入，在一定程度上可能会影响设备运转的安全性与可靠性。

    解决上述问题，如果靠大量实物样机试验，则成本太高，不易实现，因而得到的数据也不可能很多，而应用计算机技术，却能够给出一些问题的参考解。在众多的三维软件中，以其强大的设计功能，得到广泛应用，它全面采用非全约束的特征建模技术，其设计过程全相关，可以在设计过程的任何阶段修改设计，同时牵动相关部分的改变。它集成了设计、分析、加工和数据管理整个过程，所获得的分析和加工模拟结果可输出为多种格式，作为修改、优化设计的依据。

    的COSMOS Works模块使用当今世界上最快的有限元分析算法——快速有限元算法(FFE)，是的一个插件，完全集成在Windwos环境并与无缝集成。使用该技术，工程设计人员能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析与验证，无须掌握有限元的相关知识，即可获得修正和优化设计所需的必要信息。软件可以为用户提供应力分析、应变分析、热分析、优化设计、线性和非线性分析等。使用该技术，可以最大限度地缩短设计周期、降低测试成本、提高设计和产品质量。

    笔者利用的三维造型和有限元分析功能，动态地模拟完整法兰零件不同结构、不同尺寸的三维模型加载后的应力、应变和位移情况，获得详细的设计数据，特别是前述传统法兰设计中有些被略去的结构对应力等参数的影响的数据，为实现压力容器法兰计算机辅助设计提供了一个实用的设计方法。