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螺栓固定管路凸緣之有限元素分析 1 2 王栢村 洪志文 1 屏東科技大學機械工程系教授 2 屏東科技大學機械工程系研究生 摘要 本文利用有限元素法來探討高壓配管在不同管線內壓時，螺栓固定管路凸緣受力與接合情形。首先利用 有限元素套裝軟體進行管路凸緣連結的應力分析，並與相關理論分析做比較，以說明有限元素法對螺栓固定 管路凸緣分析的適用與實用性。再選擇二種常用的不同螺栓固定管路凸緣型式，即凸緣全面接觸接合型式及 凸緣部分接觸接合型式進行分析，以比較不同型式下的凸緣、螺栓、襯墊受力及凸緣的接合情形。數值結果 顯示，在管線內相同壓力條件下，凸緣部分接觸接合型式的連接方式對凸緣有較好的接合效果，且對螺栓的 受力亦較小，惟兩凸緣的接觸面積減少，接觸應力亦變大。故為改善因凸緣接觸面積減少所造成的接觸應力 變大情形，可增加凸緣部分接觸接合型式的接觸面積，如此可在不影響螺栓的安全情形下，降低凸緣與襯墊 的受力情形。 關鍵字: 有限元素法、配管、螺栓、凸緣、襯墊、凸緣全面接觸接合型式、凸緣部分接觸接合型式 1. 前言 一直是相當有效的工具，而且被運用的範圍也相當廣 螺栓固定管路凸緣裝置為目前產業界使用最普遍 泛。王[1-2]為ANSYS有限元素分析應用及使用範 例，配合電腦輔助工程分析之實務與應用，對 的化學相關設備之高壓氣體配管連結裝置。諸如：壓 力容器、鍋爐、化學設備配管及汽機車之組件連接 ANSYS有限元素分析作基本實例演練探討。Zahani[3] 曾對於二種不同凸緣接觸面積實施有限元素分析，藉 等，都有螺栓固定管路凸緣裝置之運用，尤其一般化 以了解二種不同凸緣接觸型式下管線內可承受之最高 學工廠之配管內部大多為高壓、易燃的氣體或液體一 但因連結或設計不當而造成大量之洩漏，其所造成之 使用壓力及其螺栓受力情形。Nash et al.[4]以有限元 素分析凸緣全面接觸接合型式，在不同之凸緣厚度， 損害可能難以估算。故為了保有連結管線之安全性， 斜度輪轂厚度，斜度輪轂長度及螺栓預應力下，求得 避免產生連結之危害，螺栓固定管路凸緣設計便顯得 凸緣之縱向彎曲應力、凸緣徑向應力及凸緣切線應 格外重要。本報告將對螺栓固定管路凸緣問題進行應 力分析。 力，進而與美國機械工程師學會(ASME)，英國標準 基於螺栓固定管路凸緣裝置的多樣性及力學行為 學會(BS)和歐洲壓力容器(European Unfired Pressure 複雜性，直接訴諸於原型(prototype)的試誤對於現代 Vessel Standard)等標準相比較。Estrada and Parsons[5] 則利用三維及軸對稱有限元素模型來分析玻璃纖維強 追求快速率的工業而言是相當不經濟的。近代由於電 腦科技的蓬勃發展，使得電腦已能計算大量的方程 化塑膠(GFRP)凸緣，以探討凸緣之強度及襯墊接合緊 式，所以用數值解析來解決各種複雜性的問題已不是 密度。而Nagy[6]則建立起凸緣連接時，探討其內部 壓力與襯墊受力之關係。 難事，其中又以有限元素