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螺栓法兰连接的有限元分析

2014-02-26 14:45:47评论: 0命中:
近年来,一种称为有限元分析(FEA)的工程设计方法发展迅速。 传统上,结构或机械工程师使用它来分析设备或系统中流体的应力或流动。 但是,现在,它已变得可广泛用于更集中的分析,例如过程设备中的法兰连接。
FEA为此应用提供了相当大的优势。 它可以作为解决诸如法兰泄漏等棘手的过程问题的工具,这些问题现在已成为管制逃逸性排放的重要性能问题。 更重要的是,它可用于预测性能,从而避免在处理单元建成并投入运行后出现问题。 领先的工业密封系统供应商Flexitallic Group现在为客户提供FEA分析服务。 这导致减少或避免了处理问题的几种显着情况。
什么是FEA?
FEA是一种计算机辅助的数值技术,用于预测结构在静态,动态或热负荷下的性能。 FEA是一个过程,通过该过程可以对暴露在某种刺激下的物理对象的响应进行数值模拟。 例如,可以使用FE方法(图1)预测由于法兰的载荷(刺激)而导致的垫圈(物理对象)的压缩(响应)。
图1. FEA计算出对载荷的应力/应变响应
对这种预测响应的准确性至关重要的是选择模拟对象行为的数学模型或方程组。 这些方程式称为材料模型。 可以拟合数学方程式或定义材料模型的应力-应变关系有多种类型,最常见的是弹性和弹塑性。 通常,垫片材料表现出非线性的粘弹塑性关系,如图2所示。
FEA程序
有限元分析涉及三个基本阶段; 预处理,求解和后处理。 在预处理期间,将生成结构的计算机模型,并将其分成较小的块或元素,显示为叠加在结构上的“离散”网格。 这些元素由节点在空间中定义,在节点上进行应力应变计算。 计算点(节点)的数量越多,该解决方案就越接近唯一解决方案。 在求解过程中,有限元求解器会为每个单元生成刚度矩阵,以及由于施加载荷而产生的位移,然后组合每个单元的贡献以形成整个模型的响应矩阵。 一旦达到平衡条件,就可以将结果导入“后处理器”进行解释。
图2.应力/应变曲线描述了材料的非线性粘弹塑性响应
有限元假设
3D模型的生成是一个复杂且耗时的过程,通常需要花费数天或数周的时间。 根据3D结构的对称性,将始终围绕任何对称平面减小模型几何形状。 这可能会导致生成½,¼甚至2D模型。 可以将任何径向截面视为与其他截面相同的圆形结构(例如,焊接颈法兰组件)简化为称为轴对称模型的2D截面(图3)。 与3D模型相比,这种轴对称模型的优点是可以增加网格密度,从而提高结果的潜在准确性。
图3.可以使用轴对称原理简化圆形法兰的模型定义
由于轴对称模型在径向上呈对称状态,因此无法考虑外部弯矩的影响。 必须对轴对称表示中的螺栓分布进行假设。 已针对4个及更多螺栓的完整3D模型验证了这种方式的螺栓表示。
同样,必须做出一系列假设来模拟螺栓,法兰和垫片材料的材料特性。 对于SWG和薄板垫片,已知应力/应变行为很复杂。 当前在商业软件代码中可用的材料模型无法准确地对此粘弹塑性行为建模。 为了使涉及Flexitallic垫片的有限元分析能够准确地预测其响应,已开发了一种特殊的定制材料模型。
最后,必须通过一系列载荷和边界条件来加载和约束模型,这些载荷和边界条件代表了实际结构上的载荷和约束。 如果要计算实际解,则需要定义所有离散实体之间的接触条件,例如密封元件与内圈或法兰面之间的接触条件。 接触条件包括摩擦和导热性能。

专利申请批准过程中的“具有凸缘的组件”
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