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在對(duì)閥門(mén)用金屬波紋管有限元結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上, 比較了8 形和U 形金屬波紋管承載和變形補(bǔ)償能力。研究表明, 對(duì)幾何參數(shù)相同的8 形和U 形金屬波紋管, 8 形金屬波紋管承受內(nèi)壓的能力大于U 形金屬波紋管, 而U 形金屬波紋管承受軸向力的能力則大于8 形金屬波紋管。在相等的軸向力作用下, 8 形金屬波紋管軸向補(bǔ)償量較大, 但在各自最大軸向載荷作用下, U 形金屬波紋管能達(dá)到的軸向補(bǔ)償量更大。
金屬波紋管具有位移補(bǔ)償、減振降噪和密封的作用, 目前已被廣泛應(yīng)用于熱力管線、工藝管線、閥門(mén)和壓力容器等設(shè)備上[ 1] 。金屬波紋管的結(jié)構(gòu)形式較多, 常用的有U 形和8 形金屬波紋管等。U 形金屬波紋管一般用于補(bǔ)償量較大的場(chǎng)合, 而8 形金屬波紋管則主要用于壓力較高的場(chǎng)合[ 2] 。對(duì)金屬波紋管應(yīng)力應(yīng)變的分析研究方法主要有解析法、工程近似法和數(shù)值分析法3 種, 其中工程近似法應(yīng)用較為普遍[ 3] 。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算數(shù)學(xué)的興起, 以有限元分析方法為代表的數(shù)值分析技術(shù)正被越來(lái)越多地應(yīng)用到波紋管的設(shè)計(jì)分析中[ 4~ 7] 。但現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的對(duì)象幾乎都以U 形金屬波紋管為主, 對(duì)8 形金屬波紋管的報(bào)道甚少。文中采用有限元分析方法對(duì)閥門(mén)用8 形金屬波紋管的力學(xué)性能進(jìn)行分析, 研究8 形金屬波紋管在拉伸、壓縮、內(nèi)壓及其組合條件下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況, 并對(duì)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的8 形和U 形金屬波紋管在相同工作狀態(tài)下的承載和變形補(bǔ)償能力進(jìn)行比較, 分析兩者力學(xué)特性的差異。
1 金屬波紋管閥門(mén)計(jì)算模型
1. 1 金屬波紋管閥門(mén)幾何模型
參照GB 16749 ) 1997 5壓力容器波形膨脹節(jié)6[ 8] , 筆者選擇了如圖1 所示的2 種具有典型外形結(jié)構(gòu)的U 形和8 形金屬波紋管進(jìn)行分析。為了便于比較, 圖1a 和圖1b 中的波高h(yuǎn)、筒體直邊段長(zhǎng)度
l、波距w 、波數(shù)n、倒圓半徑r 、波紋管壁厚D、波峰大圓弧半徑R 和波紋管外徑D 均取相同值, 即D =702 mm, h = 60 mm, D= 6 mm, l = 50 mm, w =69 mm, r = 14. 25 mm, R= 19. 67 mm, n= 8。

1. 2 金屬波紋管閥門(mén)有限元模型
由于金屬波紋管一般具有軸對(duì)稱的幾何結(jié)構(gòu),其約束和受力狀況也是軸對(duì)稱的, 因此文中采用ANSYS 軟件中的PLANE82 軸對(duì)稱單元建立有限元模型。該單元具有8 節(jié)點(diǎn), 適用于大變形、大應(yīng)變分析。采用四邊形映射網(wǎng)格, 波紋管1 個(gè)波段結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。試樣材料為1Cr18Ni9Ti, 其彈性模量E= 196 GPa, 設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm = 257 MPa,密度Q= 7. 8 @ 103 kg / m3 , 泊松比L= 0. 3。

1. 3 金屬波紋管閥門(mén)計(jì)算工況
金屬波紋管在工作過(guò)程中的受力較為復(fù)雜, 難于精確分析, 因此筆者在分析過(guò)程中將受力狀況簡(jiǎn)化, 分別研究8 形和U 形金屬波紋管在2~ 4 MPa的內(nèi)壓以及20~ 120 kN 軸向拉伸載荷作用下的不同力學(xué)表現(xiàn)。

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