本發(fā)明涉及一種法蘭連接結構及其設計方法。

背景技術：

火箭發(fā)動機對結構重量要求嚴格，發(fā)動機結構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)動機大量采用法蘭連接結構，按兩法蘭支撐部位的不同，目前的法蘭連接結構大體可分為兩類：1)大面積接觸式法蘭連接結構，如圖1(a)所示；2)只有密封結構處接觸—單一部位支撐式法蘭連接結構，如圖1(b)所示。

密封圈位于介質側，對于大面積接觸式法蘭連接結構，在裝配狀態(tài)下(未充入介質)螺栓基本不受彎矩作用(由于密封圈支反力的作用，法蘭介質側會有一定的張開量，螺栓會受到較小的彎矩)，但在工作狀態(tài)下(充入介質)，法蘭連接結構受到軸向分離力作用，法蘭介質側張開距離變大，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。彎矩作用會使螺栓沿自身周向應力分布不均勻，在軸向力相同的條件下，應力分布不均勻導致應力峰值變大，螺栓的安全裕量降低。對于單一部位支撐式法蘭連接結構，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，螺栓所受的彎矩會進一步增大，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增加法蘭的剛度，這就導致法蘭連接結構增重。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種兩部位支撐式法蘭連接結構及其設計方法，該法蘭連接結構形式能夠有效減小螺栓受到的彎矩，增加其安全裕量，同時降低對法蘭剛度的要求，降低法蘭重量。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種兩部位支撐式法蘭連接結構，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的密封槽內，第二法蘭的法蘭盤上有與第一法蘭的密封槽對應的密封榫及位于法蘭盤外緣處的凸起結構，第一法蘭與第二法蘭之間通過螺栓連接，第一法蘭與第二法蘭之間通過密封圈與第二法蘭外緣處的凸起結構支撐。

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構與第一法蘭之間的間隙等于初始壓縮量a與密封圈實際回彈量的差值。

一種兩部位支撐式法蘭連接結構的設計方法，包括如下步驟：

步驟一、確定法蘭連接結構處的介質壓力以及法蘭連接結構的軸向分離力載荷；所述法蘭連接結構包括第一法蘭、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的密封槽內，第二法蘭的法蘭盤上有與第一法蘭的密封槽對應的密封榫及位于法蘭盤外緣處的凸起結構，第一法蘭與第二法蘭之間通過螺栓連接，第一法蘭與第二法蘭之間通過密封圈與第二法蘭外緣處的凸起結構支撐；

步驟二、根據(jù)設定的密封圈漏率要求，確定密封圈的初始壓縮量a及允許的最大回彈量bmax；確定第二法蘭凸起結構與第一法蘭之間的間隙初始值c0＝a-bmax；

步驟三、根據(jù)介質壓力，初步確定法蘭結構參數(shù)；所述的法蘭結構參數(shù)包括管路壁厚、法蘭盤厚度、法蘭盤外徑；

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

步驟五、對法蘭連接結構進行有限元靜力學分析，獲得法蘭結構參數(shù)及螺栓預緊力的最終值、密封圈實際回彈量；根據(jù)密封圈實際回彈量調整第二法蘭外邊緣處凸起結構高度，使得凸起結構與第一法蘭之間的間隙等于初始壓縮量a與密封圈實際回彈量的差值；

步驟六、根據(jù)步驟五中確定的螺栓預緊力、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構參數(shù)、凸起結構高度，確定第一法蘭、第二法蘭的結構。

所述步驟五中，獲得第二法蘭外邊緣處凸起結構高度的具體步驟如下：

5.1、建立法蘭連接結構有限元分析模型：以每個螺栓的軸線與法蘭盤軸線所在平面為剖面，將法蘭連接結構分為n等份；取其中任意一份，利用其對稱面為剖面，將其分為兩等份，其中一份作為分析模型；

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

5.3、施加螺栓預緊力，計算得到的密封圈壓縮量z1；施加介質內壓及法蘭分離力，計算得到的密封圈壓縮量z2；

5.4、調整法蘭結構參數(shù)、螺栓預緊力值使得結構應力低于許用應力；

5.5、計算密封圈實際回彈量b1＝z1-z2；判斷c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，則調整第二法蘭的凸起結構高度；

5.6、獲得新一輪迭代中的凸起結構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構高度；否則，調整第二法蘭的凸起結構高度，i＝i+1，重復步驟5.6。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明提出一種新的法蘭連接結構形式，通過詳細設計分析，可以有效降低螺栓在整個工作循環(huán)中所受的彎矩，從而降低螺栓的應力峰值，增加其強度裕量，同時有助于降低整個法蘭連接結構的重量；

(2)本發(fā)明提出一種簡化計算方法，利用力矩平衡原理，初步確定螺栓預緊載荷，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構高度的迭代計算方法，通過該方法計算得到法蘭外緣處支撐結構的高度，可以實現(xiàn)螺栓應力分布均勻的目標。

附圖說明

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構示意圖；

圖3為本發(fā)明方法的流程框圖；

圖4是本發(fā)明方法涉及到的簡化計算過程中法蘭力矩平衡示意圖；

圖5是不同法蘭連接結構螺栓應力分布情況對比。

具體實施方式

如圖2所示，一種兩部位支撐式法蘭連接結構，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的法蘭盤的密封槽內，第二法蘭2的法蘭盤上有與第一法蘭1的密封槽對應的密封榫及位于法蘭盤外緣處的凸起結構，第一法蘭1與第二法蘭2之間通過螺栓3連接。第一法蘭1與第二法蘭2之間通過密封圈4與第二法蘭2外緣處的凸起結構支撐。

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構設計方法，主要步驟如下：

(1)確定法蘭連接結構處的介質壓力以及法蘭連接結構的軸向分離力等載荷，法蘭連接結構的軸向分離力可由下式計算：

f1＝pπr²

式中f1為法蘭連接結構軸向分離力，p為介質內壓，r為管路流通面的半徑。應注意不是所有法蘭連接結構都受到軸向分離力的作用，對于直管或在拐彎處存在支撐結構的彎管，其法蘭連接結構處可能不受軸向分離力作用，應具體問題具體分析。

(2)根據(jù)漏率要求，結合已有標準或試驗數(shù)據(jù)，確定密封圈的初始壓縮量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，第二法蘭2外緣凸起結構與第一法蘭1之間的間隙初始值為c0＝a-bmax，由此確定第二法蘭2外緣凸起結構的高度初始值。

(3)根據(jù)介質壓力，參照工程經(jīng)驗，初步確定法蘭結構參數(shù)，主要是管路壁厚、法蘭盤厚度、法蘭盤外徑等參數(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]為材料許用應力。法蘭盤厚度可根據(jù)經(jīng)驗先大致確定一個值，后續(xù)通過有限元分析進行優(yōu)化。根據(jù)輕量化原則，法蘭盤外徑應足夠小，但法蘭盤外徑的最小值受螺栓布置空間限制，因此可以根據(jù)螺栓布置空間來確定法蘭盤外徑。

(4)將法蘭簡化為一根剛體桿，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為法蘭內壁與外側支撐點之間距離，l2為密封圈與法蘭外側支撐點之間距離，l為螺栓力線與法蘭外側支撐點之間距離。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初步確定為螺栓預緊力。

(5)對法蘭連接結構進行有限元靜力學分析，獲得法蘭結構參數(shù)及螺栓預緊力的最終值、密封圈實際回彈量*；根據(jù)密封圈實際回彈量調整第二法蘭2外邊緣處凸起結構高度，使得凸起結構與第一法蘭1之間的間隙等于初始壓縮量a與密封圈實際回彈量的差值；具體步驟如下：

5.1、建立法蘭連接結構有限元分析模型：以每個螺栓的軸線與法蘭盤軸線所在平面為剖面，將法蘭連接結構分為n等份；取其中任意一份，利用其對稱面為剖面，將其分為兩等份，其中一份作為分析模型；

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

5.3、施加螺栓預緊力，計算得到密封圈壓縮量z1；施加介質內壓及法蘭分離力，計算得到密封圈壓縮量z2；

5.4、調整法蘭結構參數(shù)、螺栓預緊力，使得結構應力低于許用應力；

5.5、計算密封圈實際回彈量b1＝z1-z2；判斷c0＝a-b1等式是否成立：若c0≠a-b1，則調整第二法蘭2的凸起結構高度，獲得新的凸起結構與第一法蘭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，調整第二法蘭2的凸起結構高度，繼續(xù)迭代；通過迭代，最終獲得凸起結構高度。

*：非金屬密封圈承壓能力較差，可以在法蘭密封槽附近設置限位結構，以保證密封圈初始壓縮量。

(6)根據(jù)步驟(5)中確定的法蘭結構參數(shù)、凸起結構高度，確定第一法蘭1、第二法蘭2的結構；根據(jù)步驟(5)中確定的螺栓預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)中確定的螺栓預緊力通過扭拉公式轉化為力矩值，再根據(jù)實際安裝可能產(chǎn)生的偏差，確定力矩范圍。

實施例

下面通過具體實例來描述兩部位支撐式法蘭的結構特點及其設計流程：

(1)法蘭通徑為120mm，介質內壓為40mpa，由此計算得到法蘭連接結構軸向分離力f1＝pπr²＝452.4kn。

(2)假定密封圈4為彈性結構，剛度為100kn/mm，根據(jù)漏率要求，密封圈4初始壓縮量為a＝1.0mm，允許的最大回彈量bmax＝0.3mm；則當?shù)谝环ㄌm1、第二法蘭2剛好與密封圈4接觸時，第二法蘭2外緣處凸起結構與第一法蘭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外緣處凸起結構初始高度為1.9-(4.2-4)-c0＝1.0mm；密封槽、密封榫寬度定為4mm，第二法蘭2外緣處凸起結構寬度定為5mm。

(3)管路材料許用應力[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，預留30mm寬度，則法蘭盤外徑為120+5×2+30×2＝190mm。

(4)將法蘭簡化為一根剛體桿，假定密封榫槽結構距法蘭內壁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，則單個螺栓載荷f4＝f3/n＝61kn；初步確定螺栓預緊力為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)初步確定的法蘭結構、螺栓規(guī)格以及螺栓預緊力，進行有限元分析，有限元分析模型的選取、邊界條件以及載荷的設置如前所述，計算得到第一法蘭1、第二法蘭2主體結構應力均在500mpa以下，滿足使用要求，可以將法蘭結構參數(shù)作為最終參數(shù)，也可以根據(jù)需要進一步輕量化處理；計算得到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外緣處凸起結構高度調整為0.90mm，使得c1＝a-b1，重新計算得到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外緣處凸起結構高度為0.80mm(由于生產(chǎn)公差的存在，b2嚴格等于b1是無法實現(xiàn)的，二者差別在允許的范圍內即可，而這一允許的范圍視螺栓應力分布情況而定，二者差別越小，螺栓應力分布越均勻)。

(6)將螺栓預緊力轉變?yōu)楣こ虒嵱玫牧炕刂茀?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，分別對大面積接觸式法蘭連接結構、單一部位支撐式法蘭連接結構進行計算(所有參數(shù)與兩部位接觸式法蘭連接結構基本一致)，計算得到的螺栓軸向力以及螺栓中截面峰值應力與兩部位接觸式法蘭連接結構計算結果進行對比，見表1。對比可知，兩部位接觸式法蘭連接結構螺栓在整個工作過程中的峰值應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構的螺栓軸向力最高、應力最低，主要是因為其應力分布均勻，工作狀態(tài)下三種法蘭連接結構螺栓中截面直徑方向von-mises應力分布情況見圖5，其中單一部位支撐式法蘭連接結構螺栓應力兩端高中間低，說明其一側以壓應力為主。

表1螺栓軸向力及峰值應力對比

注：未考慮材料塑性。

本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知技術。