法蘭 的設(shè)計(jì) 、分析方法不下十余種 ，但就其所依據(jù) 的理論基 礎(chǔ)概括地可 以分為如下三類 ：
1．基于材料力學(xué) 的簡(jiǎn)單方法 。例如 巴赫 法和蘇聯(lián) 的TY8100 法。
2．以彈性分析為基礎(chǔ)的方法。例如鐵摩辛柯法、華特氏(Wa— ters)法、默瑞一斯屈特法、龜田法。
3．以塑性分析為基礎(chǔ)的方法 。例如德 國(guó)的 DIN2505方法 、AD 規(guī)范方法 、英 國(guó)的 BS1500—58法及蘇聯(lián) 的 PTM42—62法。 我 國(guó)制定 的 GBI50—2011，其法 蘭設(shè)計(jì)采用 的就是 華特 氏 (Waters)法 。 華特 氏法 的影響 因素較多 ，且隨意性 較大 ，不 同的設(shè)計(jì)結(jié)果 就其法蘭重量來(lái)說(shuō)就可以相差數(shù)倍，因此，法蘭的合理設(shè)計(jì)是具 有十分重要的意義的。 法蘭 的設(shè)計(jì)包括墊 片設(shè)計(jì) 、螺栓設(shè)計(jì) 和法蘭設(shè) 計(jì)三部分 ，并 且是依次進(jìn)行的。其中任何一步的設(shè)計(jì)失利都會(huì)直接影響以后 步驟的進(jìn)行，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中的連續(xù)失利，而使得設(shè)計(jì)結(jié)果很不合 理 ，造成 整個(gè)法蘭聯(lián) 接結(jié) 構(gòu)尺寸極不 緊湊 、重量大 、耗材 多等結(jié) 果，使得制造成本大大提高，造成不必要的浪費(fèi)。 法蘭的合理設(shè)計(jì)必須從 墊片的設(shè)計(jì)開始。



墊片設(shè)計(jì)是整個(gè)法蘭聯(lián)接設(shè) 計(jì)的基礎(chǔ) 。墊片材料的選用 以 及墊 片內(nèi)徑 和寬度 的選用 都對(duì)法 蘭聯(lián) 接設(shè)計(jì) 的結(jié)果 有很 大 的 影 響。 1．墊片設(shè)計(jì) 的第一個(gè)概念就是 墊片的比壓。墊片的 比壓就是 為了形成預(yù)密封條件而必須施加在墊片單位面積上的最小壓緊 力 ，常用符號(hào) Y表示 。 不 同強(qiáng)度 的墊片 ，為 了達(dá)到預(yù)密封 的條件所需要 的壓 緊力 是不 同的 ，強(qiáng)度愈高 、硬度愈大 ，則其 y值也就越高 。不同材料的 墊片其 Y值可參見(jiàn)《鋼制壓力容器 GB150—2011》中表 7-2。

墊片在預(yù) 緊時(shí)的狀態(tài) ，應(yīng)該是 既壓緊 ，但又不能 壓緊過(guò)度 。 因?yàn)橹挥性趩挝粔壕o面積上的壓緊力大于 v值，才能保證墊片 表面能嵌入法蘭密封面 中，建立起 預(yù)密封條件 ，但如果壓 緊過(guò) 度 ，又會(huì)使 墊片失去彈性 而進(jìn)入塑性狀態(tài) ，從而使密封面不是出 現(xiàn)間隙就是保持不了足夠大的壓緊力，而導(dǎo)致泄漏的發(fā)生。所以 為保證墊 片能在彈性狀態(tài)下工作 ，在預(yù) 緊時(shí)單位有效面積上 的 壓 緊力應(yīng)該保證盡量小 ，而控制墊片單位面積上 的預(yù)緊力變小 的措施就是使墊片具有足夠的寬度。 所 以 ，從 以上 的闡述可 以看 出 ，在 給定 的設(shè)計(jì) 條件(壓 力 、直 徑)的情況下 ，究竟采用何種墊片并使用 多大寬度是一個(gè)需要分 析比較才 能確定 的問(wèn)題 ，并不是隨意簡(jiǎn)單就能決定 的問(wèn)題 ，這一 點(diǎn) ，我們進(jìn)行下 面的分析將會(huì) 得出結(jié)論 。



整個(gè)螺栓組設(shè)計(jì)的核心是應(yīng)該使其螺栓中心圓直徑具有最 緊湊 的尺寸 ，因?yàn)槁菟?中心圓直徑 的大小直接影響到法蘭力矩 中各個(gè)分力矩的力臂大小 ，為了使法蘭設(shè)計(jì)力矩能控制在盡可能 小 的數(shù)值 ，則限制盡可能小的螺栓 中心 圓直徑 ，是～關(guān)鍵 問(wèn)題 。

從 上式 來(lái)看 ，按說(shuō)螺栓 中心圓直徑 D 隨所選螺栓增 大因值 增大而增大 ，但 由于隨 d增大 ，每個(gè)螺栓的根徑截面積 fh與 d 呈二次方增大 ，為此造成螺栓個(gè)數(shù) n(n=Arr堋 1很 快下 降 ，所 以最 終造成 D 隨 d的增大而減小 ，呈一種單調(diào)遞減的關(guān) 系。(見(jiàn)圖 4 中曲線 3) 從 圖 4中可 以看出 ，曲線 1、曲線 2中 D 隨 d 的增大 而增 大，而曲線 3中則是 D 隨 d的增大而減小。由于實(shí)際 D應(yīng)取上 述三者之大值 ，所 以可 見(jiàn) ，當(dāng)所選 用的螺栓 直徑過(guò)大 時(shí) ，往 往 由 于受曲線 1、曲線 2的控制 ，造成很大 ，而 當(dāng)所選用的螺栓直徑過(guò) 小時(shí) ，又 因受 曲線 3的控制 ，同樣 導(dǎo)致 很大 的 D，只有 當(dāng)曲線 1 或曲線 2與曲線 3所要求 的 D 相接近時(shí) ，則才具有盡可能小 的 螺栓中心 圓直徑 D。

從以上介紹 的墊 片設(shè)計(jì) 和螺栓設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟對(duì)應(yīng)地確定 了 法蘭計(jì)算力矩 的兩個(gè) 方面 ：即墊片設(shè)計(jì) 確定 了法 蘭力 矩 中“力 ” 的大小 ，而螺栓設(shè)計(jì) 由于確定 了螺栓 中心圓直徑 D，因此也就相 應(yīng) 的確定 了法蘭力矩 中“力 臂”的大小 ，為 了控制 法蘭所受 的力 矩盡可能小 ，則控制盡可能小的墊片載荷 ，就成為墊 片設(shè)計(jì) 的準(zhǔn) 則。而對(duì)于螺栓設(shè)計(jì) ，控制盡可能小的螺栓中心圓直徑 D，也就 是限制盡可能小 的法 蘭力矩 的力臂 ，也就成為螺栓設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則 。 而使 由墊片設(shè)計(jì) 中所 構(gòu)成 的“力 ”與螺栓設(shè)計(jì) 中所確定 的“力臂” 相乘而構(gòu)成的法蘭力矩盡可能小，也就是上述設(shè)計(jì)的總準(zhǔn)則。



所 以，法蘭設(shè) 計(jì)力矩 Mo有時(shí)受預(yù) 緊力矩控 制 ，有 時(shí)也可能 受操作力矩 的控制。 在對(duì)整個(gè)法蘭聯(lián) 接設(shè)計(jì) 的過(guò)程 中，墊片設(shè)計(jì)和螺栓設(shè)計(jì)僅 僅是一個(gè)方面，而在保證墊片設(shè)計(jì)和螺栓設(shè)計(jì)所造成的法蘭力 矩盡可能小的前提下 ，將 法蘭的錐頸與法蘭環(huán)設(shè)計(jì)成何種結(jié)構(gòu) 比例 ，也是一個(gè)很重要 的問(wèn)題。 我們知道，由于法蘭力矩是由法蘭錐頸和法蘭環(huán)共同來(lái)承 載的，所以采用較小的錐頸勢(shì)必要求較大的法蘭厚度。然而 ，法 蘭設(shè)計(jì) 的重量 并不 與錐頸 的大小呈 單調(diào)增 加或單 調(diào)減小 的關(guān) 系 ，并且其間存 在較大 的差異。



當(dāng)法蘭的錐頸很 小時(shí) ，如趨 向于零 ，則法蘭環(huán)在法蘭力矩作 用下，其偏轉(zhuǎn)得不到錐頸的抑制，故法蘭環(huán)可以自由偏轉(zhuǎn)，法蘭 環(huán)只能靠本身偏轉(zhuǎn)來(lái)承載法蘭力矩 ，為此 ，法蘭環(huán) 中只存在環(huán) 向 應(yīng)力。所以，這種結(jié)構(gòu)比例的法蘭，法蘭環(huán)的受力相當(dāng)于承受環(huán) 向彎曲的梁 ，此 時(shí)法蘭材料只發(fā)揮 了環(huán)向承載的強(qiáng)度性能。 而當(dāng)法蘭存在較大的錐頸時(shí)，錐頸對(duì)法蘭環(huán)的偏轉(zhuǎn)起到了 極大的約束作用 ，致使法蘭環(huán)在法蘭力矩的作用下很難偏轉(zhuǎn) ，于 是法 蘭環(huán)便只存在很小 的環(huán) 向彎曲應(yīng)力 。但與此 同時(shí) ，法蘭環(huán)在 徑向卻受到了很大的彎曲作用 ，這種結(jié)構(gòu)比例的法蘭，其法蘭環(huán) 相當(dāng)于一個(gè)徑向受彎曲的梁。此時(shí)，法蘭材料也只發(fā)揮了徑向承 載的強(qiáng)度性能 。 所以 ，無(wú)論是小錐頸法蘭還是大錐 頸法 蘭 ，法蘭環(huán)材料都只 發(fā)揮了一個(gè)方面的強(qiáng)度性 能 ，并且應(yīng)力分布都呈線性 分布狀態(tài) ， 因此材料利用就較低。所以 ，只有當(dāng)法蘭的錐頸高度與法蘭厚度 更為接近 時(shí) ，法蘭環(huán)不 僅環(huán) 向承載 ，而且徑 向也 承載 ，其法蘭材 料才能更 為充分地利用其強(qiáng)度性能 ，發(fā)揮最大的優(yōu)勢(shì) 。