最近有一臺換熱器，管口A連接有比較大的管口載荷，項目上想知道對于錐體會有什么影響，需要做一個分析。

應該如何分析載荷的影響？

還是那一句：

其實當我第一次知道要做分析的時候，我是拒絕的，因為，你不能讓我做，我就馬上去做，第一我要試一下，因為我不愿意做完了以后才發(fā)現原來常規(guī)也能算。這樣老板一定會罵我，根本沒有這樣的思路，就說明上面的分析是浪費時間。

那么常規(guī)方法是否可以完成設計呢？

每個截面的載荷

FR=FR1=FR2

FL=FL1=FL2

MT=MT1=MT2

ML1=ML+FL*H1; ML2=ML+FL*H2

對于法蘭（上法蘭和下部設備法蘭），根據ASME NC-3658.1(b)等效載荷

得到Pe后，可采用兩種方法校核法蘭，兩種其一通過即可：

1.根據ASME B16.5，溫度壓力等級表查詢許用的壓力，是否大于Pe，如果大于則法蘭合格

2.根據ASME VIII I附錄2計算法蘭，如果計算通過，法蘭合格。

如何校核錐體是否合格？

思路：假設錐體上部不是法蘭，而是高塔，塔的重力和彎矩作為錐體的載荷，那么如何校核錐體的上下兩個截面上的應力？

內壓或者真空引起的軸向應力：

軸向載荷引起的軸向應力：

彎矩引起的軸向應力：

錐殼許用的軸向壓應力：

[σ]cr=min(Bcosβ^2, [σ]t)

判定依據：σ2+σ3-σ1≤[σ]cr

（計算經驗，適中的載荷一般都可以過）

換熱器錐體管箱管道載荷校核

但是這個項目業(yè)主需要分析驗證一下。

那么應該如何做呢？其中就涉及到了，法蘭的邊界條件怎么施加。

一般法蘭的計算如果需要比較符合實際，可以采用采用建立配對法蘭，墊片接觸，并施加螺栓預緊力以及內壓的邊界條件，但是這樣建立模型會比較復雜。一般只有一些特殊的部件才會采用這種方法。

那么能否通過Waters法，使得邊界條件等效于Waters法來校核法蘭呢？

Waters法的本質上是將操作和預緊工況等效為一個力偶
Mo= max(Mp, Ma[σ]t/[σ])

然后將Mo施加在法蘭上，計算其法蘭在設計溫度下的應力。

先繪制建模示意圖

對于只建法蘭來說，一般不建螺栓孔，而是將螺栓孔處的彈性模量采用等效的彈性模量代替。

對于設備法蘭

對于法蘭A

根據尺寸建立模型

劃分網格

邊界條件的施加示意圖如下：

邊界條件施加方法如下：

1.在法蘭和錐體內壁施加內壓0.4MPa。

2.在管口A的有效墊片寬度表面施加周向轉動約束為0.

3.在設備法蘭有效墊片寬度表面處施加周向轉動約束為0，以及垂直方向位移為0。

4.先計算法蘭A的螺栓力Mo1，以及螺栓中心圓到墊片作用中心圓Dg的距離Lg1。Wp=Mo/Lg

螺栓孔區(qū)的等效壓力Pa=Wp/Ab,Ab為螺栓區(qū)面積。

墊片區(qū)的等效壓力Pg1=Wp/Ag1，Ag1為墊片區(qū)的面積。

Mo1和Lg1從SW6計算書上可以找到（即Mo和Lg）。

Wp=Mo1/Lg1=157774400/66.2=2383299 N.

Ab=3.1416*977.9*42=129030.8

Ag1=pi*(430.2*430.2-422.7*422.7)=20096

Pa=Wp/Ab=2383299/129030.8=18.47MPa

Pg1=Wp/Ag1=2383299/20096=118.595MPa

5.相同的方法施加在設備法蘭上。

6.在法蘭A的上表面施加接管載荷。

運行后的應力云圖如下：

管口A以及小端錐體應力分布

大端錐體以及設備法蘭

最后計算評定擦邊通過。

我們分析一下邊界條件，通過在墊片和螺栓中心圓處施加等效力，最終達到力抵消，同時產生一個Mo的彎矩（與Mo大致相同），同時法蘭施加了內壓（Waters法的內壓已經加到Mo中去的）。這個邊界條件與Waters法的假設較為接近。

如果換一種邊界條件：

內壓施加在內壁以及內壁到墊片的端面，墊片處施加Fp=6.28DgbmP，螺栓面積處施加

即采用操作工況的最小預緊力，其余邊界不變，得到的結果如下圖所示：

最大處在小端和法蘭連接處，最大應力值為52.29MPa.

相對于前面的結果219.15MPa，是非常小的。

從SW6的計算書來看，法蘭的應力是很大的，沒有多少裕量。所以結果52.29MPa，沒有考慮螺栓預緊的螺栓載荷控制了法蘭的厚度，是不可信的。

在欒春遠老師的書《壓力容器ansys分析強度計算》一書中對一個法蘭進行了考慮法蘭螺栓力的影響。

由于模型采用的是軸對稱。采用的施加方式，是先計算出最大設計力矩Mo。然后計算螺栓孔中心圓到墊片中心圓距離Lg，然后Fo=Mo/Lg，求得施加的集中力。

所以采用這種邊界條件是有其合理性的。

做分析的時候很多人疑惑，對于筒體開孔模型需不需要建立法蘭的模型，對此的論文也很多。

桑如苞老師的結論是：

其實這個結論本身問題不大，但是能否使用是值得商榷的。

能否正確使用需要考慮如下方面：

1. 法蘭的實際情況是比較復雜的，邊界條件的施加對結果影響很大。

2. 只建一片法蘭，Waters法和有限元法蘭無法完全匹配，結果如何評定的問題比較復雜。

3. 如果采用接觸的法蘭對，其分析性價比不高。因為大多數情況下，法蘭是由法蘭的壓力等級來保證的，并不是Waters法計算不過或者分析不過了就不能用。我們關心的是開孔并不是法蘭。

4. 法蘭在實際操作中，在某個預緊力范圍內都可以使得法蘭保證密封。但是實際計算如果要考慮的話是比較復雜的，計算工況會多很多。

比如很多朋友建立了法蘭模型，采用的卻是在法蘭密封面施加內壓的等效軸向力，做出來法蘭處應力很小。接管和筒體處評定過了，此時去掉法蘭，筒體開孔處可能評定過不了。究其原因是因為等效內壓的邊界條件，使得法蘭充當了一個大型加強圈的作用，接管越短，加強作用越明顯。而實際情況卻是，法蘭有可能根據Waters法計算不過，法蘭應力和接管應力疊加在一起。

這種計算是不保守的，用在工程上一定要慎重。

所以，就我個人而言，不建法蘭在工程上是保守的，在關注點上是聚焦的，在風險上是可控的。不到無路可退（比如已經做完的設備發(fā)現開孔補強不過），開孔補強計算不要建法蘭模型，得到不保守的結果，而且很可能是錯的。

本文只代表一些思考，不是最終結論，方法僅供參考，謝謝！