法兰 的设计 、分析方法不下十余种 ，但就其所依据 的理论基 础概括地可 以分为如下三类 ：
1．基于材料力学 的简单方法 。例如 巴赫 法和苏联 的TY8100 法。
2．以弹性分析为基础的方法。例如铁摩辛柯法、华特氏(Wa— ters)法、默瑞一斯屈特法、龟田法。
3．以塑性分析为基础的方法 。例如德 国的 DIN2505方法 、AD 规范方法 、英 国的 BS1500—58法及苏联 的 PTM42—62法。 我 国制定 的 GBI50—2011，其法 兰设计采用 的就是 华特 氏 (Waters)法 。 华特 氏法 的影响 因素较多 ，且随意性 较大 ，不 同的设计结果 就其法兰重量来说就可以相差数倍，因此，法兰的合理设计是具 有十分重要的意义的。 法兰 的设计包括垫 片设计 、螺栓设计 和法兰设 计三部分 ，并 且是依次进行的。其中任何一步的设计失利都会直接影响以后 步骤的进行，导致设计中的连续失利，而使得设计结果很不合 理 ，造成 整个法兰联 接结 构尺寸极不 紧凑 、重量大 、耗材 多等结 果，使得制造成本大大提高，造成不必要的浪费。 法兰的合理设计必须从 垫片的设计开始。



垫片设计是整个法兰联接设 计的基础 。垫片材料的选用 以 及垫 片内径 和宽度 的选用 都对法 兰联 接设计 的结果 有很 大 的 影 响。 1．垫片设计 的第一个概念就是 垫片的比压。垫片的 比压就是 为了形成预密封条件而必须施加在垫片单位面积上的最小压紧 力 ，常用符号 Y表示 。 不 同强度 的垫片 ，为 了达到预密封 的条件所需要 的压 紧力 是不 同的 ，强度愈高 、硬度愈大 ，则其 y值也就越高 。不同材料的 垫片其 Y值可参见《钢制压力容器 GB150—2011》中表 7-2。

垫片在预 紧时的状态 ，应该是 既压紧 ，但又不能 压紧过度 。 因为只有在单位压紧面积上的压紧力大于 v值，才能保证垫片 表面能嵌入法兰密封面 中，建立起 预密封条件 ，但如果压 紧过 度 ，又会使 垫片失去弹性 而进入塑性状态 ，从而使密封面不是出 现间隙就是保持不了足够大的压紧力，而导致泄漏的发生。所以 为保证垫 片能在弹性状态下工作 ，在预 紧时单位有效面积上 的 压 紧力应该保证尽量小 ，而控制垫片单位面积上 的预紧力变小 的措施就是使垫片具有足够的宽度。 所 以 ，从 以上 的阐述可 以看 出 ，在 给定 的设计 条件(压 力 、直 径)的情况下 ，究竟采用何种垫片并使用 多大宽度是一个需要分 析比较才 能确定 的问题 ，并不是随意简单就能决定 的问题 ，这一 点 ，我们进行下 面的分析将会 得出结论 。



整个螺栓组设计的核心是应该使其螺栓中心圆直径具有最 紧凑 的尺寸 ，因为螺栓 中心圆直径 的大小直接影响到法兰力矩 中各个分力矩的力臂大小 ，为了使法兰设计力矩能控制在尽可能 小 的数值 ，则限制尽可能小的螺栓 中心 圆直径 ，是～关键 问题 。

从 上式 来看 ，按说螺栓 中心圆直径 D 随所选螺栓增 大因值 增大而增大 ，但 由于随 d增大 ，每个螺栓的根径截面积 fh与 d 呈二次方增大 ，为此造成螺栓个数 n(n=Arr堋 1很 快下 降 ，所 以最 终造成 D 随 d的增大而减小 ，呈一种单调递减的关 系。(见图 4 中曲线 3) 从 图 4中可 以看出 ，曲线 1、曲线 2中 D 随 d 的增大 而增 大，而曲线 3中则是 D 随 d的增大而减小。由于实际 D应取上 述三者之大值 ，所 以可 见 ，当所选 用的螺栓 直径过大 时 ，往 往 由 于受曲线 1、曲线 2的控制 ，造成很大 ，而 当所选用的螺栓直径过 小时 ，又 因受 曲线 3的控制 ，同样 导致 很大 的 D，只有 当曲线 1 或曲线 2与曲线 3所要求 的 D 相接近时 ，则才具有尽可能小 的 螺栓中心 圆直径 D。

从以上介绍 的垫 片设计 和螺栓设计两个步骤对应地确定 了 法兰计算力矩 的两个 方面 ：即垫片设计 确定 了法 兰力 矩 中“力 ” 的大小 ，而螺栓设计 由于确定 了螺栓 中心圆直径 D，因此也就相 应 的确定 了法兰力矩 中“力 臂”的大小 ，为 了控制 法兰所受 的力 矩尽可能小 ，则控制尽可能小的垫片载荷 ，就成为垫 片设计 的准 则。而对于螺栓设计 ，控制尽可能小的螺栓中心圆直径 D，也就 是限制尽可能小 的法 兰力矩 的力臂 ，也就成为螺栓设计的准则 。 而使 由垫片设计 中所 构成 的“力 ”与螺栓设计 中所确定 的“力臂” 相乘而构成的法兰力矩尽可能小，也就是上述设计的总准则。



所 以，法兰设 计力矩 Mo有时受预 紧力矩控 制 ，有 时也可能 受操作力矩 的控制。 在对整个法兰联 接设计 的过程 中，垫片设计和螺栓设计仅 仅是一个方面，而在保证垫片设计和螺栓设计所造成的法兰力 矩尽可能小的前提下 ，将 法兰的锥颈与法兰环设计成何种结构 比例 ，也是一个很重要 的问题。 我们知道，由于法兰力矩是由法兰锥颈和法兰环共同来承 载的，所以采用较小的锥颈势必要求较大的法兰厚度。然而 ，法 兰设计 的重量 并不 与锥颈 的大小呈 单调增 加或单 调减小 的关 系 ，并且其间存 在较大 的差异。



当法兰的锥颈很 小时 ，如趋 向于零 ，则法兰环在法兰力矩作 用下，其偏转得不到锥颈的抑制，故法兰环可以自由偏转，法兰 环只能靠本身偏转来承载法兰力矩 ，为此 ，法兰环 中只存在环 向 应力。所以，这种结构比例的法兰，法兰环的受力相当于承受环 向弯曲的梁 ，此 时法兰材料只发挥 了环向承载的强度性能。 而当法兰存在较大的锥颈时，锥颈对法兰环的偏转起到了 极大的约束作用 ，致使法兰环在法兰力矩的作用下很难偏转 ，于 是法 兰环便只存在很小 的环 向弯曲应力 。但与此 同时 ，法兰环在 径向却受到了很大的弯曲作用 ，这种结构比例的法兰，其法兰环 相当于一个径向受弯曲的梁。此时，法兰材料也只发挥了径向承 载的强度性能 。 所以 ，无论是小锥颈法兰还是大锥 颈法 兰 ，法兰环材料都只 发挥了一个方面的强度性 能 ，并且应力分布都呈线性 分布状态 ， 因此材料利用就较低。所以 ，只有当法兰的锥颈高度与法兰厚度 更为接近 时 ，法兰环不 仅环 向承载 ，而且径 向也 承载 ，其法兰材 料才能更 为充分地利用其强度性能 ，发挥最大的优势 。