牛！分析设计的载荷计算程序，可下载，大大提高分析效率
用于压力容器的分析设计的相关载荷计算程序编制说明书
编制：王强
在进行压力容器的分析设计时，分析步骤是：建立模型，划分网格，施加边界条件，求解，后处理，应力分类的线性化评定。
而针对边界条件，其力学边界无非包含下面几项：
设计内压载荷；温度载荷；接管端面由内压产生的等效压力；法兰螺柱面的等效压力；法兰垫片面的等效压力；卡箍快开结构的载荷；移动式压力容器的等效密度法与平均压强法相关载荷边界计算等等。
针对上述提到的力学边界条件，如果模型中的开孔接管数量较多，只在命令流中编写每一接管的相关载荷计算的话，容易记不清相关的参数代表哪一个接管的，并且编制命令流时容易混淆它们，还有一点不足之处便是这些内容会使ANSYS软件的运行速度减慢。综合以上因素，我特意编制了这一款程序，给压力容器的分析设计工作带来了很大的便利。
本程序可将计算结果导出Word中，可以将其复制到分析报告中，省去重新制作表格的时间。软件总体图见下图1所示。
图1.分析设计载荷计算软件
1.接管端面内压等效力：
接管等效力公式为：
Pn=-Pi*(Do-2*Dt)2/(Do2-(Do-2*Dt)2)
相应的命令流如下图1所示。
Do---接管外径
Dt----接管壁厚
Pi----设计内压
图2.接管等效力计算
2.缠绕垫、非金属平垫片密封的窄面法兰载荷计算
模型中建立螺栓孔时，螺栓孔的内径为螺栓孔直径大小，螺栓孔的外径为螺母的Dw值，此值参考HG/T20634-2009的435页自动输入。
垫片基本密封宽度数值详见GB/T150.3-2011，软件会自动计算。
垫片特性参数—系数与比压力，参见GB/T150.3-2011。
注：接管法兰载荷计算（取操作状态下的载荷）--采用GB/T 150-20117.5节的公式P192页
预紧状态：法兰垫片面载荷 FG =3.14DGby；法兰螺栓面载荷 WG = 3.14DGby
操作状态：法兰垫片面载荷 FP =6.28DGbmPc；法兰螺栓面载荷 WP = 6.28DGbmPc+0.785DG2Pc
1. 螺栓等效压力公式为PL=, 以下类同，其中：
DG---垫片压紧力作用中心圆直径；
b---垫片有效密封宽度；
m---垫片系数；
SL---螺栓等效圆总面积；
2.垫片等效压力公式为PD=, 以下类同，其中：
SD---垫片等效圆面积；
图3：螺母的Dw值
图4：垫片基本密封宽度数值
图5：垫片特性参数—系数与比压力
图6：窄面法兰—缠绕垫计算界面
|
遵循规范：GB/T 150-2011 |
设备名称 |
%%%% |
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|
设计压力 pc |
2.5 |
MPa |
螺栓数量 n |
16 |
个 |
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|
垫片 |
接触外径 |
317.5 |
mm |
接触内径 |
274.6 |
mm |
当b0≤6.4mm时 b= b0 当b0≥6.4mm时b=2.53 |
|
|
接触宽度 N |
21.45 |
mm |
基本密封宽度 b0 |
10.73 |
mm |
|||
|
有效密封宽度b |
8.29 |
mm |
垫片压紧力作用中心圆直径DG |
300.93 |
mm |
|||
|
垫片比压力 y |
69 |
MPa |
垫片系数m |
3.0 |
||||
|
操作状态下螺栓载荷wp |
295178.6 |
N |
操作状态下垫片压紧力Fp |
117462.6 |
N |
|||
|
建模时垫片接触面外径 |
309.21 |
mm |
螺栓作用环面外径 |
50.8 |
mm |
|||
|
建模时垫片接触面内径 |
292.64 |
mm |
螺栓作用环面内径 |
36 |
mm |
|||
|
操作状态下垫片接触面压力 |
14.99 |
MPa |
操作状态下螺栓作用环面等效力 |
18.28 |
MPa |
|||
|
预紧状态下垫片接触面压力 |
68.97 |
MPa |
预紧状态下螺栓作用环面等效力 |
33.47 |
MPa |
|||
|
操作状态下垫片接触面压力(ASME) |
15.00 |
MPa |
操作状态下螺栓作用环面等效力(ASME) |
11.01 |
MPa |
|||
3.金属环垫片密封的窄面法兰载荷计算
本部分根据标准的垫环号自动输入密封面平均直径和垫片的基本密封宽度数值，法兰与环号R对照表参照HG/T20633-2009标准。程序将GB150-2011表C.7八角垫和椭圆垫系列结构尺寸录入程序内部，只需要选择垫环号就自动输出想要的计算数据。
图7：法兰与垫环号R对照表
图8：金属环垫片的计算界面
注：接管法兰载荷计算（取操作状态下的载荷）--采用GB/T 150-2011节的附录C公式Page279.
预紧状态：法兰垫片面载荷 FG =3.14DGby；法兰螺栓面载荷 WG = 3.14DGby
操作状态：法兰垫片面载荷 FP =6.28DGbmPc；法兰螺栓面载荷 WP = 6.28DGbmPc+0.785DG2Pc
|
遵循规范：GB/T 150-2011 |
设备名称 |
%%%% |
||||||
|
设计压力 pc |
2.5 |
MPa |
螺栓数量 n |
16 |
个 |
|||
|
金属环形垫 |
垫环号 |
R51 |
当b0≤6.4mm时 b= b0 当b0≥6.4mm时b=2.53 |
|||||
|
接触宽度 ω |
22.24 |
mm |
基本密封宽度 b0 |
2.78 |
mm |
|||
|
有效密封宽度b |
2.78 |
mm |
垫片压紧力作用中心圆直径DG |
279.4 |
mm |
|||
|
垫片比压力 y |
69 |
MPa |
垫片系数m |
3.0 |
||||
|
操作状态下螺栓载荷wp |
189785.4 |
N |
操作状态下垫片压紧力Fp |
15 |
N |
|||
|
建模时垫片接触面外径 |
282.18 |
mm |
螺栓作用环面外径 |
50.8 |
mm |
|||
|
建模时垫片接触面内径 |
276.62 |
mm |
螺栓作用环面内径 |
36 |
mm |
|||
|
操作状态下垫片接触面压力 |
14.99 |
MPa |
操作状态下螺栓作用环面等效力 |
11.76 |
MPa |
|||
|
预紧状态下垫片接触面压力 |
68.97 |
MPa |
预紧状态下螺栓作用环面等效力 |
10.42 |
MPa |
|||
|
操作状态下垫片接触面压力(ASME) |
15.00 |
MPa |
操作状态下螺栓作用环面等效力(ASME) |
9.49 |
MPa |
|||
4. 透镜垫密封的螺纹法兰载荷计算
图9：透镜垫密封的螺纹法兰载荷计算界面
根据标准HG/T20582-2011中17节透镜垫密封的高压螺纹法兰的设计和计算的规定，操作状态下最小螺栓载荷按式（4）计算。
垫片载荷按式（5）计算。
|
透镜垫密封的载荷计算 |
计算单位 |
中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司 |
||||||
|
HG/T 20582-2011 第17部分 |
简图 |
|||||||
|
计算压力pc |
30 |
MPa |
|
|||||
|
主
螺
栓 |
螺栓孔直径dB |
74 |
mm |
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|
螺母直径dr |
96.9 |
mm |
||||||
|
螺栓孔数量n |
8 |
个 |
||||||
|
透
镜
垫
密
封 |
透镜垫外径d0 |
333 |
mm |
摩 擦 角 |
8.5 |
|||
|
透镜垫接触圆直径 dk |
275.00 |
mm |
钢-铜 |
|||||
|
透镜垫内径di |
246 |
mm |
钢-钢 |
|||||
|
透镜垫弹性模量E |
160000 |
MPa |
钢-铝 |
|||||
|
夹角 |
70 |
度 |
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|
余角β |
20 |
度 |
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|
垫片载荷 N |
操作 |
校核结果 合格 |
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|
螺栓载荷 N |
操作 |
WL = Pi * (Tdk ^ 2) * pai / 4 + Wp =3361195.91 |
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|
操作状态下螺栓作用环面等效压力 PL |
209.15 |
MPa |
||||||
|
操作状态下垫片接触面压力 PD |
84.96 |
MPa |
||||||
注：本部分依据HG/T20582-2011 第17 透镜垫密封的高压螺纹法兰的设计和计算编制。
5. 非圆型法兰载荷计算
根据标准HG/T20582-2011中12节非圆形法兰的设计和计算的规定，非圆形法兰包括矩形法兰、椭圆形法兰或长圆形法兰。压力容器的旋风分离器中多为矩形法兰，压力容器的非标视镜多为长圆形法兰。
|
矩形法兰载荷计算 |
计算单位 |
中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司 |
||||||||
|
设计条件 |
简图 |
|||||||||
|
计算压力pc |
0.5 |
MPa |
|
|||||||
|
主 螺 栓 |
螺栓孔直径dB |
16 |
mm |
|||||||
|
螺母直径dr |
21.1 |
mm |
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|
螺栓孔数量n |
8 |
个 |
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|
矩形法兰 |
垫片平均密封面的长轴长度Dm1 |
319 |
mm |
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|
垫片平均密封面的短轴长度Dm2 |
240 |
mm |
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|
法兰内侧的长轴长度Di1 |
310 |
mm |
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|
法兰内侧的短轴长度Di2 |
231 |
mm |
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|
垫片常数K1 B12.2-1 |
120 |
mm |
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|
垫片常数K2 B12.2-1 |
24 |
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|
螺栓温度校正系数K3 B12.2-2 |
0.90 |
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|
当量系数K4 B12.2-3 |
1.00 |
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|
垫片接触面实际宽度b |
0 |
mm |
||||||||
|
垫片计算有效宽度be |
8.44 |
mm |
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|
法兰密封范围内的受压面积A |
76560 |
mm 2 |
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|
法兰内侧范围内的受压面积Ai |
71610.00 |
mm 2 |
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|
当量圆形法兰的垫片平均直径Dme |
319 |
mm |
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|
预紧状态的垫片系数m1 |
5.71 |
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|
操作状态下的垫片系数m2 |
1.63 |
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|
螺
栓 |
螺栓受力 N |
操作 |
Wp= 62587.20 |
|||||||
|
预紧 |
Wm= 218764.80 |
|||||||||
|
操作状态下螺栓作用环面等效压力 PL |
52.65 |
MPa |
||||||||
|
操作状态下垫片作用环面等效压力 PD |
4.91 |
MPa |
||||||||
|
预紧状态下螺栓作用环面等效压力 PLY |
184.02 |
MPa |
||||||||
|
预紧状态下垫片作用环面等效压力 PDY |
36.46 |
MPa |
||||||||
图10：非圆型法兰载荷计算界面
6.双锥环密封的筒体端部载荷计算
本程序将GB150-2011标准中的表C.6双锥环的系列结构尺寸表格编入，只要输入设计压力（P≤35MPa）和设备公称直径，程序会自动给出双锥环的系列尺寸。
图11：双锥环密封的筒体端部载荷计算界面
图12：GB150-2011中双锥环的系列尺寸
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筒体端部双锥环结构计算 |
计算单位 |
中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司 |
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|
设计条件 |
简图 |
||||||||
|
计算压力pc |
22 |
MPa |
|
||||||
|
主
螺
栓 |
螺栓孔直径dB |
105 |
mm |
||||||
|
螺母直径dr |
135 |
mm |
|||||||
|
螺栓孔数量n |
24 |
个 |
|||||||
|
双
锥
环
密
封 |
双锥环A |
66 |
mm |
摩 擦 角 |
8.5 |
||||
|
双锥环B |
27 |
mm |
钢-铜 |
||||||
|
双锥环C |
33 |
mm |
钢-钢 |
||||||
|
弹性模量E |
195000 |
MPa |
钢-铝 |
||||||
|
双锥环 有效高度 |
49.5 |
mm |
夹角 |
30 |
|||||
|
双锥环比压力y |
179.3 |
||||||||
|
双锥环内径D1 mm |
565 |
||||||||
|
双锥环的断面积 mm2 |
=1624.82 |
||||||||
|
密封面平均直径 mm |
609.47 |
||||||||
|
内压轴向力 N |
=6415083.40 |
||||||||
|
锥环自紧轴向分力 N |
=410468.69 |
||||||||
|
锥环回弹力的轴向分力 N |
783783.41 |
||||||||
|
螺
栓 |
螺栓受力 N |
操作 |
7609335.50 |
||||||
|
预紧 |
4114949.74 |
||||||||
|
操作状态下螺栓作用环面等效压力 PL |
56.07 |
MPa |
|||||||
|
预紧状态下螺栓作用环面等效压力 PLY |
30.32 |
MPa |
|||||||
7.Ω焊接环的载荷计算（包括卡箍部分的载荷）
图13：Ω焊接环的载荷计算（包括卡箍部分的载荷）界面
8.其他---移动式容器部分的计算（含重力等效压力）
图14：其他---移动式容器部分的计算（含重力等效压力）界面
下载方法：
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