设备法兰螺柱疲劳分析小案例-对称模型+几个接触定义=搞定！

那可能有人会问了，一个铁疙瘩做成的螺栓，怎么会产生疲劳呢？其实碳钢材料生产成我们想要的螺栓产品后，在不停的使用过程中，如果某些技术参数和机械性能一开始就达不到要求的话，久而久之，就会在螺纹处局部形成应力集中，当应力集中并达到临界值时，螺栓就会出现轻微裂缝，而这种裂缝的产生，只是发生疲劳的第一步而已，当循环次数达到一定的量级时，这个裂缝就会直接断裂了，这就是螺栓的疲劳现象以及结果。

那么碳钢螺栓为什么产生疲劳，是不是强度越高的螺栓，越容易产生疲劳？其实，螺栓产生疲劳，跟强度没有什么太大的关系，只是说，普通螺栓对强度的要求并没有那么高，所以它的应用环境并不会让螺栓产过大的疲劳效应，而高强度螺栓的应用环境是有一定的抗拉性能要求的，这就对螺栓产生疲劳的效应无形中就增大了，所以我们在日常碰到的螺栓疲劳一般是高强度螺栓居多，但并不表示普通螺栓就不会产生疲劳，而是我们在使用普通螺栓的时候，对它的要求并不高。

再来看螺栓产生疲劳的原因，在循环使用过程中，局站应力的变化，对螺栓的弱性点位实行了一定当量的破坏，最终形成裂缝。所以它的过程应该是这样的，首先是应力作用对螺栓点位实现侵蚀，然后让螺栓的高应力部位产生了裂缝，经过一段时间后，裂缝变得越来越大，在某一个临界点，螺栓突然断裂。我们经过长时间的分析，发现这种疲劳应力并不是需要太大的外力来实现，有时候让螺栓产生的这种应力，比螺栓的屈服强度都要低很多，所以螺栓的疲劳断裂后，会发现断裂的端口根本看不出来有什么外力让它变形或是弯曲的情况。

所以，小小的螺栓可能会带来灾难性的破坏或毁灭，压力容器作为一种承受复杂载荷工况、盛装复杂苛刻介质的设备，对于有疲劳工况的情况下，则必须对螺栓或螺柱按相应规范要求进行疲劳强度的评定以确保安全。

带有设备法兰的疲劳设备，设备法兰螺柱的疲劳分析往往需要用有限元的方法，常规的公式法很难校核通过。本文建立螺柱的有限元模型进行有限元分析，提供螺柱疲劳的一种算法供大家参考。本设备操作压力0.3-3.5MPa，操作温度45℃，内径Φ850mm，筒体切线长1800mm，采用椭圆封头，法兰材料为16Mn锻件，封头筒体材料为Q345R。压力波动循环次数350000次。对采用有限元软件计算的疲劳分析结果按照疲劳累计使用系数不大于1.0的方法进行评定。

 

力学模型    

利用其对称性，从整个法兰结构中取两个对称面截出1/96结构建立有限元模型。根据结构受力特点，建立如下所示三维对称模型进行分析计算。

图1 力学模型

 

材料特性参数    

 

有限元模型    

根据结构特点建立三维对称有限元模型，该模型中螺柱、螺母、法兰、筒体、封头采用20节点体单元（SOLID186）进行网格划分。三组接触：上下法兰间的接触以及螺母和上下法兰间的接触均采用面面接触单元TARGR170、CONTA174定义摩擦接触，接触面相对滑动的摩擦系数取0.3，螺栓预紧力采用螺栓预紧单元PRETS179施加。设备内表面施加压力载荷，下表面施加轴向约束和环向约束，对称面施加对称约束。

图2 结构有限元网格模型

 

应力强度计算结果    

工况一：当结构承受最小工作压力时，其应力强度分布如下图所示。

工况二：当结构承受最大工作压力时，其应力强度分布如下图所示。

图3 结构的应力强度分布（单位MPa）

 

交变应力强度幅计算及疲劳强度评定    

在最小（工况1）和最大（工况2）操作压力工况下，螺柱的最大应力强度点均出现在与上法兰接触位置（A点）。按JB4732的要求，求得A点交变应力强度幅为23.7 MPa。

考虑螺柱减弱系数K=4 和弹性模量的比值，则：

S’=K×(E/E’)×Salt=4×（2.07e5/2.03e5）×23.7 =96.7 MPa

查JB4732-95 图C-4得许用循环次数为N=770000次

则疲劳损伤系数U=n/N=(350000)/(770000)=0.45 ＜ 1.0

上述疲劳分析的结果表明，该设备法兰的螺柱满足标准jb4732疲劳强度评定要求。