Громова О. В., старший инженер СКБ
Фомин Е. П., начальник СКБ
АО «Бриг»

Расчёт многошпилечного фланцевого соединения
в пакете конечно-элементного анализа «Зенит-95»

При конструировании разъёмных соединений сосудов высокого давления необходимо обеспечение герметичности и достаточной механической прочности в рабочих условиях. Расчёт в программе конечно-элементного анализа «Зенит-95» (http://ntp-dip.ru) позволяет проверить удовлетворение необходимых условий.

Для расчёта в «Зенит-95» построена конечно-­элементная модель фланцевого соединения из линейных гексаэдров 3D8. КЭ-модель фланцевого соединения изображена на рисунке 1.

Уплотнительное кольцо выполнено из сплава Alloy 825, фланец и корпус — из стали 17ГС, наплавка — из сплава Alloy 625. Свойства материалов элементов фланцевого соединения представлены в таблице 1.

В программе «Зенит-95» механические свойства материалов элементов фланцевого соединения заданы через зависимость напряжения-деформации, построенную по значениям характерных точек диаграммы растяжения-сжатия каждого материала. Диаграмма растяжения-сжатия приведена на рисунке 2 и построена на основании методики, указанной в приложении 3.D стандарта [1].

С целью уменьшения общего количества узлов в КЭ-модели фланцевого соединения используется свойство симметрии. Заделка изделия задаётся путём введения дополнительной плоскости симметрии по условно отсечённой части корпуса. КЭ-модель нагружается внутренним давлением p = 70 МПа по внутренней части корпуса и по поверхности наплавки фланца. В местах сопряжения уплотнительного кольца с наплавкой фланца и корпуса заданы контактные поверхности с проскаль­зыванием (рисунок 3).

Предварительный натяг крепёжных элементов в «Зенит-95» задаётся через напряжение начального растяжения. Материал болтов ASTM A320 L7 имеет предел текучести σ_т = 724 МПа. Напряжение начального растяжения принято как 70 % от σ_т материала болтов, т. е. 506,8 МПа.

На рисунке 4 показаны эквивалентные напряжения при смятии уплотнительного кольца. Согласно справочнику [2], напряжение смятия σ_см равно 1,2 σ_т материала уплотнительного кольца. Для материала Alloy 825 σ_см = 388,8 МПа.

На рисунке 5 показаны перемещения в узлах КЭ-модели.

На рисунке 6 представлены напряжения от растяжения в крепёжных элементах.

Как можно увидеть по рисункам 4, 5 и 6, зазор между фланцем и корпусом при обжатии кольца становится нулевым, напряжения в контактах превышают напряжение смятия σ_см, при этом крепёжные элементы имеют запас прочности, равный 1,8.

Литература

1. ASME Boiler and pressure vessel code, Section VIII, Division 2 — Rules for construction of pressure vessels (Правила проектирования сосудов под давлением).

2. Справочник «Сосуды и трубопроводы высокого давления» / 1 том — 3-е изд., перераб., и доп. Под ред. А. М. Кузнецова. — М.: Машиностроение, 2014.

3. Курков, С. В. Метод конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов / С. В. Курков. — СПб.: Политехника, 1991.