本發(fā)明涉及一種法蘭連接結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)重量要求嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量降低就意味著火箭有效載荷重量的增大。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用法蘭連接結(jié)構(gòu)，按兩法蘭支撐部位的不同，目前的法蘭連接結(jié)構(gòu)大體可分為兩類(lèi)：1)大面積接觸式法蘭連接結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示；2)只有密封結(jié)構(gòu)處接觸—單一部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。

密封圈位于介質(zhì)側(cè)，對(duì)于大面積接觸式法蘭連接結(jié)構(gòu)，在裝配狀態(tài)下(未充入介質(zhì))螺栓基本不受彎矩作用(由于密封圈支反力的作用，法蘭介質(zhì)側(cè)會(huì)有一定的張開(kāi)量，螺栓會(huì)受到較小的彎矩)，但在工作狀態(tài)下(充入介質(zhì))，法蘭連接結(jié)構(gòu)受到軸向分離力作用，法蘭介質(zhì)側(cè)張開(kāi)距離變大，法蘭與螺母或螺帽的接觸面傾角變大，螺栓受到的彎矩變大。彎矩作用會(huì)使螺栓沿自身周向應(yīng)力分布不均勻，在軸向力相同的條件下，應(yīng)力分布不均勻?qū)е聭?yīng)力峰值變大，螺栓的安全裕量降低。對(duì)于單一部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)，在裝配狀態(tài)下螺栓即受到較大的彎矩作用，在工作狀態(tài)下，螺栓所受的彎矩會(huì)進(jìn)一步增大，在螺栓軸向力相同的情況下，螺栓的安全裕量偏低。

為降低螺栓所受的彎矩，一般采用增加法蘭厚度的方法來(lái)增加法蘭的剛度，這就導(dǎo)致法蘭連接結(jié)構(gòu)增重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種兩部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，該法蘭連接結(jié)構(gòu)形式能夠有效減小螺栓受到的彎矩，增加其安全裕量，同時(shí)降低對(duì)法蘭剛度的要求，降低法蘭重量。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種兩部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)，包括第一法蘭、第二法蘭、連接螺栓、密封圈；密封圈安裝在第一法蘭的法蘭盤(pán)的密封槽內(nèi)，第二法蘭的法蘭盤(pán)上有與第一法蘭的密封槽對(duì)應(yīng)的密封榫及位于法蘭盤(pán)外緣處的凸起結(jié)構(gòu)，第一法蘭與第二法蘭之間通過(guò)螺栓連接，第一法蘭與第二法蘭之間通過(guò)密封圈與第二法蘭外緣處的凸起結(jié)構(gòu)支撐。

所述第二法蘭與第一法蘭安裝后，第二法蘭外邊緣處凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭之間的間隙等于初始?jí)嚎s量a與密封圈實(shí)際回彈量的差值。

一種兩部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟一、確定法蘭連接結(jié)構(gòu)處的介質(zhì)壓力以及法蘭連接結(jié)構(gòu)的軸向分離力載荷；所述法蘭連接結(jié)構(gòu)包括第一法蘭、第二法蘭、連接螺栓、密封圈；密封圈安裝在第一法蘭的法蘭盤(pán)的密封槽內(nèi)，第二法蘭的法蘭盤(pán)上有與第一法蘭的密封槽對(duì)應(yīng)的密封榫及位于法蘭盤(pán)外緣處的凸起結(jié)構(gòu)，第一法蘭與第二法蘭之間通過(guò)螺栓連接，第一法蘭與第二法蘭之間通過(guò)密封圈與第二法蘭外緣處的凸起結(jié)構(gòu)支撐；

步驟二、根據(jù)設(shè)定的密封圈漏率要求，確定密封圈的初始?jí)嚎s量a及允許的最大回彈量bmax；確定第二法蘭凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭之間的間隙初始值c0＝a-bmax；

步驟三、根據(jù)介質(zhì)壓力，初步確定法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)；所述的法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)包括管路壁厚、法蘭盤(pán)厚度、法蘭盤(pán)外徑；

步驟四、計(jì)算螺栓的總載荷、確定螺栓數(shù)量n；根據(jù)螺栓的總載荷、螺栓數(shù)量，計(jì)算獲得單個(gè)螺栓的載荷并確定螺栓規(guī)格；將單個(gè)螺栓載荷初步確定為螺栓預(yù)緊力；

步驟五、對(duì)法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，獲得法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)及螺栓預(yù)緊力的最終值、密封圈實(shí)際回彈量；根據(jù)密封圈實(shí)際回彈量調(diào)整第二法蘭外邊緣處凸起結(jié)構(gòu)高度，使得凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭之間的間隙等于初始?jí)嚎s量a與密封圈實(shí)際回彈量的差值；

步驟六、根據(jù)步驟五中確定的螺栓預(yù)緊力、量化控制措施，確定量化控制參數(shù)范圍；根據(jù)步驟五中確定的法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)、凸起結(jié)構(gòu)高度，確定第一法蘭、第二法蘭的結(jié)構(gòu)。

所述步驟五中，獲得第二法蘭外邊緣處凸起結(jié)構(gòu)高度的具體步驟如下：

5.1、建立法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元分析模型：以每個(gè)螺栓的軸線與法蘭盤(pán)軸線所在平面為剖面，將法蘭連接結(jié)構(gòu)分為n等份；取其中任意一份，利用其對(duì)稱(chēng)面為剖面，將其分為兩等份，其中一份作為分析模型；

5.2、對(duì)分析模型施加邊界條件：約束第一法蘭端部的軸向位移，約束分析模型兩側(cè)面的周向位移；

5.3、施加螺栓預(yù)緊力，計(jì)算得到的密封圈壓縮量z1；施加介質(zhì)內(nèi)壓及法蘭分離力，計(jì)算得到的密封圈壓縮量z2；

5.4、調(diào)整法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺栓預(yù)緊力值使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力低于許用應(yīng)力；

5.5、計(jì)算密封圈實(shí)際回彈量b1＝z1-z2；判斷c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，則調(diào)整第二法蘭的凸起結(jié)構(gòu)高度；

5.6、獲得新一輪迭代中的凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭之間的間隙值ci，使得ci＝a-bi，返回步驟5.3，得到新一輪迭代中的密封圈實(shí)際回彈量bi+1；i為迭代次數(shù)，為正整數(shù)，初值為1；

5.7、若bi+1＝bi，停止迭代，獲得最終的第二法蘭的凸起結(jié)構(gòu)高度；否則，調(diào)整第二法蘭的凸起結(jié)構(gòu)高度，i＝i+1，重復(fù)步驟5.6。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明提出一種新的法蘭連接結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)分析，可以有效降低螺栓在整個(gè)工作循環(huán)中所受的彎矩，從而降低螺栓的應(yīng)力峰值，增加其強(qiáng)度裕量，同時(shí)有助于降低整個(gè)法蘭連接結(jié)構(gòu)的重量；

(2)本發(fā)明提出一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法，利用力矩平衡原理，初步確定螺栓預(yù)緊載荷，以此為依據(jù)，可以選定螺栓規(guī)格；

(3)本發(fā)明提出一種法蘭外緣處支撐結(jié)構(gòu)高度的迭代計(jì)算方法，通過(guò)該方法計(jì)算得到法蘭外緣處支撐結(jié)構(gòu)的高度，可以實(shí)現(xiàn)螺栓應(yīng)力分布均勻的目標(biāo)。

附圖說(shuō)明

圖1(a)、圖1(b)為目前常用的兩種法蘭連接形式示意圖；

圖2為兩部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明方法的流程框圖；

圖4是本發(fā)明方法涉及到的簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程中法蘭力矩平衡示意圖；

圖5是不同法蘭連接結(jié)構(gòu)螺栓應(yīng)力分布情況對(duì)比。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，一種兩部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)，包括第一法蘭1、第二法蘭2、連接螺栓3、密封圈4；密封圈4安裝在第一法蘭1的法蘭盤(pán)的密封槽內(nèi)，第二法蘭2的法蘭盤(pán)上有與第一法蘭1的密封槽對(duì)應(yīng)的密封榫及位于法蘭盤(pán)外緣處的凸起結(jié)構(gòu)，第一法蘭1與第二法蘭2之間通過(guò)螺栓3連接。第一法蘭1與第二法蘭2之間通過(guò)密封圈4與第二法蘭2外緣處的凸起結(jié)構(gòu)支撐。

圖3為本發(fā)明方法的流程框圖，一種兩部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，主要步驟如下：

(1)確定法蘭連接結(jié)構(gòu)處的介質(zhì)壓力以及法蘭連接結(jié)構(gòu)的軸向分離力等載荷，法蘭連接結(jié)構(gòu)的軸向分離力可由下式計(jì)算：

f1＝pπr²

式中f1為法蘭連接結(jié)構(gòu)軸向分離力，p為介質(zhì)內(nèi)壓，r為管路流通面的半徑。應(yīng)注意不是所有法蘭連接結(jié)構(gòu)都受到軸向分離力的作用，對(duì)于直管或在拐彎處存在支撐結(jié)構(gòu)的彎管，其法蘭連接結(jié)構(gòu)處可能不受軸向分離力作用，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。

(2)根據(jù)漏率要求，結(jié)合已有標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定密封圈的初始?jí)嚎s量a及允許的最大回彈量bmax；確定第二法蘭2與第一法蘭1恰好與密封圈4接觸時(shí)，第二法蘭2外緣凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭1之間的間隙初始值為c0＝a-bmax，由此確定第二法蘭2外緣凸起結(jié)構(gòu)的高度初始值。

(3)根據(jù)介質(zhì)壓力，參照工程經(jīng)驗(yàn)，初步確定法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要是管路壁厚、法蘭盤(pán)厚度、法蘭盤(pán)外徑等參數(shù)。管路壁厚的初步確定可采用如下方法：

pd/2δ≤[σ]

式中d為管路流通面的直徑，d＝2r，δ為管路壁厚，[σ]為材料許用應(yīng)力。法蘭盤(pán)厚度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先大致確定一個(gè)值，后續(xù)通過(guò)有限元分析進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)輕量化原則，法蘭盤(pán)外徑應(yīng)足夠小，但法蘭盤(pán)外徑的最小值受螺栓布置空間限制，因此可以根據(jù)螺栓布置空間來(lái)確定法蘭盤(pán)外徑。

(4)將法蘭簡(jiǎn)化為一根剛體桿，其受力情況如圖4所示，則根據(jù)力矩平衡原則計(jì)算得到螺栓的總載荷為

f3＝(f1l1+f2l2)/l

式中f2是由密封圈變形數(shù)據(jù)得到的密封圈回彈力，l1為法蘭內(nèi)壁與外側(cè)支撐點(diǎn)之間距離，l2為密封圈與法蘭外側(cè)支撐點(diǎn)之間距離，l為螺栓力線與法蘭外側(cè)支撐點(diǎn)之間距離。根據(jù)螺栓布置空間可以確定螺栓數(shù)量n，從而得到單個(gè)螺栓載荷f4＝f3/n并確定螺栓規(guī)格；將f4初步確定為螺栓預(yù)緊力。

(5)對(duì)法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，獲得法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)及螺栓預(yù)緊力的最終值、密封圈實(shí)際回彈量*；根據(jù)密封圈實(shí)際回彈量調(diào)整第二法蘭2外邊緣處凸起結(jié)構(gòu)高度，使得凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭1之間的間隙等于初始?jí)嚎s量a與密封圈實(shí)際回彈量的差值；具體步驟如下：

5.1、建立法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元分析模型：以每個(gè)螺栓的軸線與法蘭盤(pán)軸線所在平面為剖面，將法蘭連接結(jié)構(gòu)分為n等份；取其中任意一份，利用其對(duì)稱(chēng)面為剖面，將其分為兩等份，其中一份作為分析模型；

5.2、對(duì)分析模型施加邊界條件：約束第一法蘭1端部的軸向位移，約束分析模型兩側(cè)面的周向位移；

5.3、施加螺栓預(yù)緊力，計(jì)算得到密封圈壓縮量z1；施加介質(zhì)內(nèi)壓及法蘭分離力，計(jì)算得到密封圈壓縮量z2；

5.4、調(diào)整法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺栓預(yù)緊力，使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力低于許用應(yīng)力；

5.5、計(jì)算密封圈實(shí)際回彈量b1＝z1-z2；判斷c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，則調(diào)整第二法蘭2的凸起結(jié)構(gòu)高度，獲得新的凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭1之間的間隙值c1，使得c1＝a-b1，返回步驟5.3，得到新的密封圈回彈量b2；若b2＝b1，停止迭代；否則，調(diào)整第二法蘭2的凸起結(jié)構(gòu)高度，繼續(xù)迭代；通過(guò)迭代，最終獲得凸起結(jié)構(gòu)高度。

*：非金屬密封圈承壓能力較差，可以在法蘭密封槽附近設(shè)置限位結(jié)構(gòu)，以保證密封圈初始?jí)嚎s量。

(6)根據(jù)步驟(5)中確定的法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)、凸起結(jié)構(gòu)高度，確定第一法蘭1、第二法蘭2的結(jié)構(gòu)；根據(jù)步驟(5)中確定的螺栓預(yù)緊力以及選定的量化控制措施，確定量化控制參數(shù)的范圍，例如選定力矩控制方法作為量化控制措施，則需要將步驟(5)中確定的螺栓預(yù)緊力通過(guò)扭拉公式轉(zhuǎn)化為力矩值，再根據(jù)實(shí)際安裝可能產(chǎn)生的偏差，確定力矩范圍。

實(shí)施例

下面通過(guò)具體實(shí)例來(lái)描述兩部位支撐式法蘭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)流程：

(1)法蘭通徑為120mm，介質(zhì)內(nèi)壓為40mpa，由此計(jì)算得到法蘭連接結(jié)構(gòu)軸向分離力f1＝pπr²＝452.4kn。

(2)假定密封圈4為彈性結(jié)構(gòu)，剛度為100kn/mm，根據(jù)漏率要求，密封圈4初始?jí)嚎s量為a＝1.0mm，允許的最大回彈量bmax＝0.3mm；則當(dāng)?shù)谝环ㄌm1、第二法蘭2剛好與密封圈4接觸時(shí)，第二法蘭2外緣處凸起結(jié)構(gòu)與第一法蘭1之間的間隙初始值為c0＝a-bmax＝0.7mm；假定第一法蘭1密封槽深度為4.2mm、第二法蘭2密封榫高度為1.9mm、密封圈4的高度為4mm，則可以確定第二法蘭2外緣處凸起結(jié)構(gòu)初始高度為1.9-(4.2-4)-c0＝1.0mm；密封槽、密封榫寬度定為4mm，第二法蘭2外緣處凸起結(jié)構(gòu)寬度定為5mm。

(3)管路材料許用應(yīng)力[σ]＝500mpa，則管路壁厚δ≥pd/2[σ]＝4.8mm，因此管路壁厚取5mm；法蘭盤(pán)厚度初步確定為15mm；由于螺栓規(guī)格尚未確定，需要的安裝空間尚不明確，預(yù)留30mm寬度，則法蘭盤(pán)外徑為120+5×2+30×2＝190mm。

(4)將法蘭簡(jiǎn)化為一根剛體桿，假定密封榫槽結(jié)構(gòu)距法蘭內(nèi)壁4mm，則l1＝35mm，l2＝31mm，l＝15mm，根據(jù)密封圈4的剛度及壓縮量，可知f2＝20kn，根據(jù)上述參數(shù)，螺栓總載荷f3＝(f1l1+f2l2)/l＝1097kn；假定螺栓數(shù)量n＝18個(gè)，則單個(gè)螺栓載荷f4＝f3/n＝61kn；初步確定螺栓預(yù)緊力為61kn，根據(jù)螺栓使用載荷要求，選定螺栓規(guī)格為m14。

(5)根據(jù)初步確定的法蘭結(jié)構(gòu)、螺栓規(guī)格以及螺栓預(yù)緊力，進(jìn)行有限元分析，有限元分析模型的選取、邊界條件以及載荷的設(shè)置如前所述，計(jì)算得到第一法蘭1、第二法蘭2主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在500mpa以下，滿足使用要求，可以將法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)作為最終參數(shù)，也可以根據(jù)需要進(jìn)一步輕量化處理；計(jì)算得到z1＝1.00mm，z2＝0.80mm，b1＝z1-z2＝0.20mm，c0＝a-b1等式不成立；將第二法蘭2外緣處凸起結(jié)構(gòu)高度調(diào)整為0.90mm，使得c1＝a-b1，重新計(jì)算得到z1＝1.00mm，z2＝0.83mm，b2＝z1-z2＝0.17mm，數(shù)次迭代后，最終確定第二法蘭2外緣處凸起結(jié)構(gòu)高度為0.80mm(由于生產(chǎn)公差的存在，b2嚴(yán)格等于b1是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，二者差別在允許的范圍內(nèi)即可，而這一允許的范圍視螺栓應(yīng)力分布情況而定，二者差別越小，螺栓應(yīng)力分布越均勻)。

(6)將螺栓預(yù)緊力轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虒?shí)用的量化控制參數(shù)，本例中將螺栓擰緊力矩作為量化控制參數(shù)，螺栓擰緊力矩由螺栓扭拉公式計(jì)算：

t＝kd1f4＝171n·m

式中k為扭矩系數(shù)，本例中取0.2，t為螺栓擰緊力矩，d1是螺栓公稱(chēng)直徑；最終確定螺栓擰緊力矩為171n·m±2n·m。

采用同樣邊界條件及載荷條件，分別對(duì)大面積接觸式法蘭連接結(jié)構(gòu)、單一部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算(所有參數(shù)與兩部位接觸式法蘭連接結(jié)構(gòu)基本一致)，計(jì)算得到的螺栓軸向力以及螺栓中截面峰值應(yīng)力與兩部位接觸式法蘭連接結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。對(duì)比可知，兩部位接觸式法蘭連接結(jié)構(gòu)螺栓在整個(gè)工作過(guò)程中的峰值應(yīng)力明顯低于另外兩種法蘭連接形式，且工作狀態(tài)下螺栓的軸向力最高，表明法蘭連接更可靠。兩部位接觸式法蘭連接結(jié)構(gòu)的螺栓軸向力最高、應(yīng)力最低，主要是因?yàn)槠鋺?yīng)力分布均勻，工作狀態(tài)下三種法蘭連接結(jié)構(gòu)螺栓中截面直徑方向von-mises應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖5，其中單一部位支撐式法蘭連接結(jié)構(gòu)螺栓應(yīng)力兩端高中間低，說(shuō)明其一側(cè)以壓應(yīng)力為主。

表1螺栓軸向力及峰值應(yīng)力對(duì)比

注：未考慮材料塑性。

本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。