基于初应变理论的螺栓预紧力加载方法在应力分析中的应用 (2)

变法解决下泄热交换器下法兰螺栓预紧力加载的方法。在螺栓三维梁单元参数中定义梁单元的初应
变，等同获得预紧力引起的初始应力场，成功解决计算模型的螺栓预紧力加载问题。并对下泄热交换器
下法兰在设计载荷条件下给出了应力计算分析结果。
关键词：初应变，下法兰；预紧力；应力分析
中图分类号：ＴＬ４３４
文献标志码：Ａ
文章编号：ｉ０００—６９３１（２００８）ＳＩ一０５４８—０４
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｒｅ－ｌｏａｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ Ｂｏｌｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｉｔｉａｌ Ｓｔｒａｉｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＺＨＡ０ Ｆｅｉ－ｙｕｎ，ＸＵ Ｄｉｎｇ－ｇｅｎｇ，ＨＥ Ｙｉｎ－ｂｉａｏ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３，Ｃｈｉｎａ）
常规方法是把螺栓梁单元的某处截面截 断，再加载预紧力。对此计算模型，按常规方法 做会使得螺栓连接的上法兰和简体失去位移边 界条件，计算获得的螺栓正应力值会出现错误 结果。
本文针对ＡＮＳＹＳ螺栓预紧力加载过程中 出现的问题，提出用初应变法，即在螺栓三维梁
收稿日期：２００８—０８—１５，修回日期：２００８—１１—３０ 作者简介：赵飞云（１９７９～），男，上海人，工程师，硕士研究生，反应堆结构力学专业
￡。定义在三维梁单元参数中，在无载荷条件下
通过ＡＮＳＹＳ有限元分析获得计算后的螺栓
实际产生的正应变值￡７，。根据线性关系，可
获得梁单元的初应变值ｅ。一ｅ｝／Ｅ’。。具体计算
如下。
螺栓预紧力Ｆ＝１．８３×１０６ Ｎ，作用螺栓等
效的轴向正应变值ｅ。为：
ｆ－，＝一＝—————————————————————＇ Ｆ
万方数据
增刊 赵飞云等：基于初应变理论的螺栓预紧力加载方法在应力分析中的应用
５５１
１５２．５６１
１２８．６３７
； 乱
套１０４．７１３
长
／
·．／ｊ 丞８０．７８９ ５６．８６５
表４应力评定结果 Ｔａｂｌｅ ４ Ｓｔｒｅｓｓ ｅｖａｌｎａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ
表３薄膜＋弯曲应力值 Ｔａｂｌｅ ３ Ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ口｜Ｌ＋以
根据评定要求，选择下法兰作为评定对象， 对其进行应力分析。选取截面１和截面２作为 评定截面位置，如图２所示。 ２．２载荷条件
１）螺栓预紧力载荷 按ＡＳＭＥＩ附录ＸＩ一３２００计算螺栓预紧力 载荷。针对不锈钢垫片材料，计算螺栓（Ｍ２４× ３００）预紧力载荷为１．８３×１０６ Ｎ。常规的 ＡＮＳＹＳ中三维梁单元上施加预紧力方法 （ＰＳＭＥＳＨ命令和ＳＬＯＡＤ命令）是把螺栓梁 单元的某处截面截断，再加载需要的预紧力。 对于本文计算模型，这样就会使得螺栓连接的 上法兰和筒体变成自由，失去位移边界条件。 计算下泄热交换器下法兰模型在设计载荷下的 应力值时，会出现错误结果。在螺栓三维梁单
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒａｉｎ；ｌｏｗｅｒ ｆｌａｎｇｅ；ｐｒｅ－ｌｏａｄ ｆｏｒｃｅ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ
在ＡＮＳＹＳ建立的下泄热交换器下法兰设 计载荷（螺栓预紧力载荷和设计压力载荷）下的 计算模型中，螺栓连接下法兰与上法兰，在下封 头底部施加位移边界条件。在计算中发现，常 规加载三维梁单元的螺栓预紧力方法 （ＰＳＭＥＳＨ命令和ＳＬＯＡＤ命令）未能解决此 计算模型中的螺栓预紧力加载问题。
Ｔａｂｌｅ １
裘１材料在２５０℃时力学性能参数 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ２５０℃
注；Ｓ，为材料屈服强度｝ｓ。为材料抗拉强度Ｉｓ为许用应力，按ＡＳＭＥ ＢＰＶＣ－ｌＩ一２００１材料Ｄ篇性能，附录１１—１００规定取值
万方数据
图１有限元模型 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ 左图为有限元模型正视结构，右图为剖面模型结构
第４２卷增刊 ２００８年１２月
原子能科学技术
Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．４２，Ｓｕｐｐｌ． Ｄｅｅ．２００８
基于初应变理论的螺栓预紧力加载方法 在应力分析中的应用
赵飞云，徐定耿，贺寅彪
（上海核Ｔ程研究设计院，上海２００２３３）
摘要：本文针对在ＡＮＳＹＳ中建立起来的下泄热交换器下法兰设计载荷下的计算模型，提出一种用初应
万方数据
增刊 赵飞云等：基于初应变理论的螺栓预紧力加载方法在应力分析中的应用
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单元参数定义中先定义三维梁单元的初应变， 等同获得预紧力引起的初始应力场，以期解决 计算模型的螺栓预紧力加载问题。并给出下泄 热交换器下法兰在设计载荷条件下应力计算分 析结果。
ｌ 输入参数 １．１结构
下泄热交换器为Ｕ型管壳式换热器、立式 裙座支承。
１．８３ Ｘ １０ｓ
”
３２ＡＥ ３２×３３８×２×１０５
＝８．４６×１０一‘
无载荷条件下ＡＮＳＹＳ有限元计算获得螺
栓上的轴向正应变值为：
ｅ７１＝３．３４×１０—４
ｅ。＝要一等瓣一ｚ．１４ 梁单元初应变为：
￡ｏ ５石一１ｊ孬矿２乙 Ｘ １０ｑ
２）设计压力载荷 管侧压力４．０ ＭＰａ，壳侧压力１．０ ＭＰａ。
该交换器由上下法兰、封头、简体、管板和 裙座等组成。下法兰下接下封头，其法兰面通 过３２个螺栓与管板和上法兰相连。 １．２材料参数
材料在工作温度（２５０℃）下的机械性能参 数如表１所列。
２有限元模型和载荷条件
２．１有限元模型 用ＡＮＳＹＳ程序中的三维梁单元（ＢＥＡＭ４）
和体单元（ＳＯＬＩＤ４５）对下法兰与下法兰相连的 部件（下封头、管板、上法兰和法兰螺栓）建立有 限元计算模型。其中，螺栓采用三维梁单元模 拟，管板、上下法兰、筒体和下封头采用体单元 模拟。所建模型如图１所示。
３）该方法可在计算机上对反应堆压力容 器或其它承压容器的螺栓拉伸机预紧过程设计 程序，作仿真虚拟试验。
万方数据
３评定标准 依据ＡＳＭＥ第Ⅲ卷ＮＤ分卷表ＮＤ－３３２１—１
得到设计载荷下的应力限制。下泄热交换器下 法兰在设计载荷下的应力限制列于表２。
图３设计压力载荷下的薄膜＋弯曲应力云图 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ九＋巩ｕｎｄｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｌｏａｄｓ
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规范要求，评定时不考虑应力集中效应。图３ 为下法兰在设计载荷下的薄膜＋弯曲应力云 图。图４、５分别示出下法兰的截面１和截面２ 的应力计算结果。
元参数中定义梁单元的初应变可以等效于螺栓
的预紧力，从而解决了法兰内部一种自平衡的
螺栓预紧力问题。
对于梁单元初应变ｅ。的获得，本文先把螺
栓预紧力作用在螺栓上产生的轴向正应变值
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔＯ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｆｌａｎｇｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｌｏａｄｓ．Ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆｕｓｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｐｒｅ－ｌｏａｄ ｆｏｒｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｆｌａｎｇｅ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ＡＳＭＥ Ｂ＆ＰＶ ｃｏｄｅ．
ｔ
图４截面１的各类最大主应力沿截面的变化 Ｆｉｇ．４ Ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｆｏｒ ｓｅｃｔｉｏｎ １
１——薄膜应力；２——薄膜＋弯曲应力
下法兰评定截面的各个部分最大应力值列 于表３。对表中各项加以对比可知，截面２的 外壁处应力值最大，最大值为１５２．５ ＭＰａ。表 ４为各应力评定截面在设计压力和螺栓预紧力 载荷作用下的应力评定结果。由表４可见，分 析计算求得的应力值均大于规定的应力限值。
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原子能科学技术
第４２卷
表２设计载荷下应力限制 Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｔｒｅｓｓ ｌｉｍｉｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｌｏａｄｓ
注ｔＯ＇ｍ，总体薄膜应力ＣＹＬ，局部薄膜应力ｉＯ＇ｂ，弯曲应力
图２模型评定部位
Ｆｉｇ．２ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅ！
４计算结果和评定 因法兰结构不连续导致的应力集中，按照
位置
薄膜＋弯曲应力值／ＭＰａ
截面１
截面２
５结论 １）本文提出采用初应变法解决下泄热交
换器下法兰螺栓预紧力等效加载的方法，即在 螺栓梁单元参数中定义梁单元的初应变，等同 获得螺栓预紧力引起的初始应力场，从而解决 计算模型的螺栓预紧力加载问题。
２）螺栓预紧力初应交加载方法，同时已在 一回路辅助系统轴封注水过滤器设备应力分析 中得到应用，并为以后类似结构计算模型提供 了一种新的可行解决方法。