螺母垫圈对螺栓法兰接头应力分布影响的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2022.03.011

辽宁石油化工大学学报 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (3): 62-67.DOI: 10.3969/j.issn.1672-6952.2022.03.011

螺母垫圈对螺栓法兰接头应力分布影响的有限元分析

杨松宇¹(), 多依丽²(), 孙铁¹, 王承彬¹

^1.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.辽宁石油化工大学环境与安全工程学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2021-05-25 修回日期:2021-06-20 出版日期:2022-06-25 发布日期:2022-07-18
通讯作者: 多依丽
作者简介:杨松宇（1995⁃），男，硕士研究生，从事高效节能石化装备方面的研究；E⁃mail：1663046938@qq.com。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2018YFC0808500)

Finite Element Analysis of Influence of Nut Washer on Stress Distribution of Bolt Flange Joint

Songyu Yang¹(), Yili Duo²(), Tie Sun¹, Chengbin Wang¹

^1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.School of Environmental ＆ Safety Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China

Received:2021-05-25 Revised:2021-06-20 Published:2022-06-25 Online:2022-07-18
Contact: Yili Duo

摘要/Abstract

摘要：

建立螺栓法兰垫片整体的有限元模型，进行了DN500螺栓法兰连接系统的紧固实验，验证了有限元模型的合理性。通过控制螺母垫圈宽度及管道介质压力，对比分析了螺母垫圈对垫片及螺栓上应力分布的影响。结果表明，加合理尺寸的螺母垫圈不仅可以增加螺母与法兰面的接触面积，提高垫片上的压应力，而且在螺栓预紧载荷及介质压力高的情况下，可以防止螺栓的弯曲变形及垫片的圧溃失效，提高螺栓的使用寿命，改善螺栓法兰连接系统整体的密封性能。

关键词: 螺栓法兰, 有限元分析, 螺母垫圈, 应力分布

Abstract:

The finite element model of the bolt flange washer was established, and the fastening experiment of the DN500 bolt flange connection system was carried out to verify the rationality of the finite element model. By controlling the width of the nut washer and the medium pressure of the pipeline, the effect of adding the nut washer on the stress distribution on the washer and bolt was compared and analyzed. It was found that adding a reasonable sized nut washer can not only increase the contact area between the nut and the flange surface and increase the compressive stress on the gasket, but also in the case of high bolt pre?tightening load and medium pressure. Prevent the bending deformation of the bolts and the pressure failure of the washers, increase the service life of the bolts, and improve the overall sealing performance of the bolt flange connection system.

Key words: Bolt flange, Finite element analysis, Nut washer, Stress distribution

中图分类号:

TE96

杨松宇, 多依丽, 孙铁, 王承彬. 螺母垫圈对螺栓法兰接头应力分布影响的有限元分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 62-67.

Songyu Yang, Yili Duo, Tie Sun, Chengbin Wang. Finite Element Analysis of Influence of Nut Washer on Stress Distribution of Bolt Flange Joint[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2022, 42(3): 62-67.

图/表 14

表1 材料及其参数

部件	材料	密度/（t·m^－3）	弹性模量E×10^－5/GPa	泊松比μ	许用应力/MPa
法兰、接管	16Mn钢	7.87	2.08	0.310	230
螺栓	35CrMoA	7.82	2.04	0.288	685
螺母	40MnB	7.87	2.06	0.290	585
垫片	0Cr18Ni9钢	7.93	1.99	0.287	195
螺母垫圈	60钢	7.85	2.09	0.268	890

图1 法兰接头1/10有限元模型

图2 有限元模型网格图3 有限元模型边界条件

表2 有限元模型的接触状态

接触体	目标体	接触类型	摩擦系数
垫片	上法兰面	摩擦接触	0.15
垫片	下法兰面	不分离接触
螺栓	螺母	绑定接触
螺母	上下法兰面	摩擦接触	0.15
螺栓	法兰孔面	无摩擦接触
螺栓	螺母垫圈孔面	绑定接触
下螺母垫圈面	上法兰面	摩擦接触	0.25
螺母	上螺母垫圈面	摩擦接触	0.10

图4 实验装置及螺母垫圈上/下表面

图5 7-13号螺栓上的平均应变

图6 螺栓整体应变变化情况

图7 加螺母垫圈法兰螺栓整体应力分布云图

图8 常温下螺母垫圈宽度为27.0 mm的垫片压应力分布云图

图9 不同螺母垫圈宽度下垫片的平均压应力

图10 加螺母垫圈的工况下施加不同介质压力时垫片的压应力分布云图

图11 垫片平均压应力随介质压力的变化

图12 加螺母垫圈的工况下施加不同介质压力时螺栓上的拉应力分布云图

图13 螺栓平均拉应力随介质压力的变化规律

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螺母垫圈对螺栓法兰接头应力分布影响的有限元分析

Finite Element Analysis of Influence of Nut Washer on Stress Distribution of Bolt Flange Joint

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