序言法兰、垫片、螺栓联接系统作为一种便捷的可拆卸联接结构，是压力容器及管线上必不可少的重要部件，被广泛应用于石油化工、电力、能源等领域[1]。它的作用原理是通过螺丝和垫圈的联接与密封，保持系统不致发生泄露。我国的法兰设计采用的是以弹性剖析为基础的Waters[2]方式，在连接螺母的硬度设计与校核中，按照螺丝遭到的外载，估算螺丝预紧力，再依照不同的工况下的估算公式进行硬度估算，如静荷载与动荷载的剖析估算。但是法兰中螺母连接的行为是相当复杂的，遭到多种诱因影响，工况从初始预紧到操作工况，必须考虑的参数组合复杂，因而准确的估算其各零件的挠度，对法兰设计至关重要[3]。
本文研究的缘由在于目前应用的Waters法估算所得的螺丝预紧力常常达不到控制法兰接头泄露的要求，尤其是二氧化碳介质的密封要求。虽然，ASME炉窑压力容器规范中早就强调：按照Waters法求得的“设计螺丝力”仅仅是拿来确定须要的最小螺丝截面积之用，而实际螺丝预紧力基于下述几方面考虑，必需要小于“设计螺丝力”[2]。
（1）水压试验压力小于设计压力。
（2）考虑到法兰拐角、垫片松驰、螺栓伸长等诱因，实际螺丝预紧力应当提升至设计值的1.5倍以上。
（3）规范中规定的螺丝许用挠度仅用于承受设计压力的估算须要，而实际螺丝安装挠度包括预紧、压力、温差、外荷载组合形成的挠度可达到许用挠度的二倍。
值得注意的是，Waters法中所列举的垫圈参数m、y和b源自70多年前，一无实验基础，二无泄露率概念，因而借助该方式进行非标法兰的设计时存在泄露的风险。基于目前法兰设计中存在的问题，本文借助ANSYSWorkbench对法兰进行挠度剖析，为非标法兰设计提供另一条途径，提出三种法兰的剖析技巧，并加以讨论。
（1）螺丝不建模，零件间的联接使用绑定接触，无螺丝预紧力。
（2）螺丝连接使用实体单元，但不建模螺纹，包含螺丝预紧力及磨擦接触。
（3）螺丝连接使用实体单元，包含螺纹接触，包含螺丝预紧力及磨擦接触。本文以卧式蓄能器的转接轮缘为例，采用上述三种剖析方式分别进行剖析，并对剖析结果进行对比讨论。1设计参数及荷载剖析1.1设计条件本台卧式蓄能器的主要参数如表1所示。表1卧式蓄能器设计参数与条件表
1.2几何模型卧式蓄能器主要由上法兰、转接销钉与封头法兰组成，本文主要针对主要针对立式蓄能器的销钉进行局部挠度剖析，因为模型及荷载的对称性，取1/4模型进行剖析，简化后的模型如图1所示。
图1卧式蓄能器的几何模型1.3边界条件在模型两侧面施加对称约束，底面施加位移约束，以限制刚性位移，边界条件施加情况如图2所示。
图2边界条件施加图2无螺丝、绑定接触剖析无螺丝、绑定接触对于法兰的剖析是最简单的一种方式。该方法是在所有联接组件的接触面定义为绑定接触，因为绑定整个组件接触面会造成结构过分刚性，且难以得到每位螺丝荷载。将几何模型中的螺丝、螺母去除，改变后的几何模型如图3所示。容器内部承受1000PSI的内压，接管法兰端部承受由内压造成的接管荷载3727N，荷载的施加方法如图4所示。
图3无螺丝、绑定接触几何模型图
图4无螺丝、绑定接触荷载示意图对模型的静力学剖析结果如图5所示，最大等效挠度硬度为325.8MPa，出现在转接纵梁的螺丝孔附近。
图5无螺丝、绑定接触挠度云图提取转接销钉与接管法兰接触面的接触压力，如图6所示。接触面根部压紧为正挠度8.43MPa，另左侧为负压力-68.85MPa，表示此处接触面存在分离的现象。
图6无螺丝、绑定接触接触压力3有螺丝（无螺纹）剖析为考虑更多的螺丝联接的详尽特点，如法兰、螺栓、垫片、螺母之间的接触行为，各接触面采用磨擦接触，建模中不包含螺纹，结构如图7所示。
图7有螺丝（无螺纹）几何模型对模型的静力学剖析结果如图8所示，最大等效挠度硬度为258.99MPa，出现在封头纵梁处。
图8有螺丝（无螺纹）挠度云图提取转接轴套与接管法兰接触面的接触压力，如图9所示。接触面压紧为正挠度6.87MPa，接触没有分离。
图9有螺丝（无螺纹）接触压力4有螺丝（有螺纹）剖析将螺柱与纵梁的接触，修正为螺纹接触，将螺丝集中力处理为通过螺纹联接面的分布力，更接近螺丝挠度分布的真实状态。对模型的静力学剖析结果如图10所示，最大等效挠度硬度为328.62MPa，出现在螺纹联接面上。
图10有螺丝（有螺纹）挠度云图提取转接轴套与接管法兰接触面的接触压力，如图11所示。接触面压紧为正挠度7.18MPa，接触面没有分离。
图11有螺丝（无螺纹）接触压力5推论（1）在借助第一种方式进行剖析时，得到的法兰密封面的接触压力为负值，与实际情况存在巨大差别；估算的法兰整体部位的最大挠度大于其他两种方式，这是因为绑定整个密封面形成不真实的挠度行为，估算结果不保守，所以在校核法兰密封性能和硬度时，不推荐使用这些技巧。（2）借助第二种和第三种方式对法兰进行剖析时法兰整体部位的挠度相差不大，挠度的差别出现在螺丝上，密封接触面上的压力分布情况一致，在不须要对垫圈进行精确的挠度剖析的时侯，可以使用第二种剖析方式进行剖析，偏差不大。参考文献[1]王定标,杨国新,尹华杰.非标法兰联接系统结构设计及挠度剖析[J].新乡学院学报,2007.2(28):60-63.[2]应道宴,蔡暖姝,蔡仁良.螺丝法兰结构安全密封技术(三)—法兰的设计选用及其承载能力评估[J].化工设备与管线,2012.6(49):60-63.[3]王庆.非均匀气温场作用下法兰螺母连接性能剖析与优化[D].南京：中国石油学院,2011:1-3.
