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。
2 結(jié)果分析及比較
2. 1 承載能力
2. 1. 1 內(nèi)壓載荷
在進(jìn)行內(nèi)壓有限元分析計(jì)算時(shí), 首先約束2 個(gè)模型兩端節(jié)點(diǎn)的軸向自由度, 然后在模型內(nèi)壁面上加載2~ 4 MPa 的內(nèi)壓, 使波紋管處于膨脹狀態(tài), 計(jì)算不同內(nèi)壓下波紋管的應(yīng)力值。內(nèi)壓為4 MPa 下8 形和U 形金屬波紋管的Von Miss 等效應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖3。由圖3 看出, 在只受內(nèi)壓作用時(shí), 8 形和U 形金屬波紋管所受最大等效應(yīng)力均發(fā)生在筒體直邊段與倒圓角相連處。對(duì)其它波段來(lái)說(shuō), 最大等效應(yīng)力發(fā)生在波谷內(nèi)表面, 而最小等效應(yīng)力則處于波峰位置附近
2 種金屬波紋管在不同壓力下所對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn), 在相同的內(nèi)壓作用下,U 形金屬波紋管所受的最大等效應(yīng)力略高于8 形金屬波紋管的。2 種金屬波紋管幾何結(jié)構(gòu)均存在幾何不連續(xù)區(qū), 根據(jù)JB 4732 ) 1995 5鋼制壓力容器) ) ) 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6[ 9] , 結(jié)構(gòu)連續(xù)區(qū)與結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)的強(qiáng)度條件并不相同, 2 種金屬波紋管承載能力的
定量分析見(jiàn)文獻(xiàn)[ 10] 。但由圖3 和圖4 可定性得出結(jié)論, 即在相同內(nèi)壓作用下, U 形金屬波紋管所受的最大等效應(yīng)力略高于8 形金屬波紋管的, 故8 形金屬波紋管承受內(nèi)壓的能力稍大于U 形金屬波紋管
2. 1. 2 軸向載荷
以拉伸為例, 在進(jìn)行軸向力有限元分析計(jì)算時(shí),首先約束2 個(gè)模型最右端節(jié)點(diǎn)的所有自由度, 然后在最左端節(jié)點(diǎn)上加載20~ 100 kN 的軸向載荷, 使波紋管處于拉伸狀態(tài), 計(jì)算不同拉伸載荷下波紋管的應(yīng)力值。軸向力為60 kN 時(shí)8 形和U 形金屬波紋管的Von Miss 等效應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出, 在只受拉伸軸向力的情況下, 兩種波紋管的最大等效應(yīng)力同樣發(fā)生在波谷的內(nèi)表面, 但最小等效應(yīng)力則發(fā)生在波節(jié)的中段。
2 種金屬波紋管在不同軸向力作用下所對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力見(jiàn)圖6�？梢钥闯�, 在相同軸向力作用下, 8 形金屬波紋管所受的最大等效應(yīng)力高于U形金屬波紋管; 而在相同的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm 下, 8形金屬波紋管能承受的最大軸向力F 8max 低于U 形金屬波紋管能承受的最大軸向力FUmax 。由圖5 和圖6 同樣可定性得出, 在相同軸向載荷作用下, U 形金屬波紋管所受的最大等效應(yīng)力低于8 形金屬波紋管, 因而U 形金屬波紋管承受軸向力的能力大于8形金屬波紋管。
2. 2 變形補(bǔ)償能力
60 kN 軸向力作用下2 種金屬波紋管的軸向位移分布云圖見(jiàn)圖7。由圖7 可以看出, 位移最大值和最小值分別發(fā)生在波紋管的左、右兩端, 文中以波紋管最左節(jié)點(diǎn)位移為軸向位移最大值。
2 種金屬波紋管在不同軸向力作用下所對(duì)應(yīng)的最大位移值見(jiàn)圖8。由圖8 可見(jiàn), 在相同軸向力作用下, U 形金屬波紋管軸向變形小于8 形金屬波紋管的, 但在各自所能承受的最大軸向力作用下, U形金屬波紋管最大軸向位移長(zhǎng)度DUmax 大于8 形金屬波紋管的最大軸向位移長(zhǎng)度D8max 。所以, 對(duì)幾何參數(shù)相同的2 種金屬波紋管, 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 形金屬波紋管的軸向補(bǔ)償能力更大。
3 結(jié)論
¹ 對(duì)幾何參數(shù)相同的8 形和U 形金屬波紋管,在內(nèi)壓作用下, 8 形金屬波紋管承受內(nèi)壓的能力大于U 形金屬波紋管。º 在軸向力作用下, 2 種金屬波紋管的最大等效應(yīng)力均發(fā)生在波谷的內(nèi)表面, 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 形金屬波紋管軸向補(bǔ)償能力更大。
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