螺栓法兰连接是石油化工设备和管道中最主要的连接形式,法兰接头除承受压力载荷外,还受到包括轴向力、弯矩和扭矩等外载荷的作用,其中外弯矩是影响法兰接头性能的主要因素,因此系统地研究和分析外弯矩作用下法兰接头完整性和密封性是当前国际上密封技术的研究热点,而国内研究尚属空白,故本课题的研究具有重要的理论意义和工程应用价值.该文采用三维有限元方法对外弯矩作用下的法兰连接问题进行数值模拟,以垫片应力为切入点,深入揭示外弯矩对接头的作用机理.并在此基础上,进行法兰的参数化研究和失效分析,最后提出外弯矩作用下法兰的工程设计方法.该文的主要工作和研究成果如下:1.以ASME B16.5的NPS4 Class150标准法兰为例,通过建立三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性,采用降温法模拟螺栓的预紧作用,进行了数值计算与分析.2.引入PVRC垫片常数和法兰接头紧密度的概念,基于计算垫片应力,建立了紧密度与外弯矩的定量关系,首次提出了外弯矩作用下法兰接头紧密度的计算方法.3.在上述分析计算的基础上,提出了法兰接头的强度和密封失效判据.按应力分析设计方法评定了法兰的应力强度;按螺栓的弯曲应力和拉伸应力,提出了螺栓的失效判据;按垫片应力和紧密度要求,确立了密封失效判据.4.以ASME B16.5的Class150,Class300和Class600及NPS1~NPS24的标准法兰为例,研究了外弯矩作用下法兰压力等级、名义管径及垫片类型、垫片厚度等参数对垫片应力和法兰接头紧密度的影响,确定了外弯矩与法兰接头紧密度的定量规律.5.首次基于接头完整性和密封性,依据强度和密封失效判据,建立了承受外弯矩作用的法兰接头失效评定图.在此基础上,按相应的强度设计准则和密封设计准则,提出了承受外弯矩作用的法兰连接工程设计方法.对于标准法兰,直接采用该文的失效评定图及设计准则进行核算;对于非标准法兰,需按本文的FEA方法计算法兰应力、螺栓应力和垫片应力,然后按该文提出的设计准则进行校核.该文的设计方法对于外弯矩作用下法兰的工程设计具有一定的参考价值.