外压-拉伸位移下波纹管周向应力计算探讨

拉伸位移引起的波纹管周向应力对波纹管失稳和强度破坏的影响不可忽略。但是国内外现行标准中对于该周向应力的设计不够充分,故对位移引起波纹管的周向应力进行了研究。通过有限元法分析了波纹管在外压-拉伸位移联合作用下的周向应力,进行应力测量试验验证了有限元法计算结果的准确性;分析了波纹管板条梁模型与圆环板模型的特点,提出将波纹管等效成圆环板的简化模型,推导出拉伸位移下波纹管周向应力设计的基础公式。在大量的算例计算基础上,给出一定范围波形参数内的修正系数分布规律和计算方法,最终形成拉伸位移引起的波纹管周向应力公式。     

基于构件S-N曲线的波纹管速度外压耦合加载下疲劳寿命研究

真空灭弧室用波纹管服役工况复杂,采用传统的理论计算方法和试验手段难以准确预测其疲劳寿命,一定程度上制约波纹管的设计与选用。本文利用数字图像相关技术,基于拉伸试验、疲劳试验,精细化获得了波纹管构件的S-N曲线,基于ANSYS有限元分析软件,建立波纹管弹塑性变形有限元模型,通过XTDIC验证了模型的准确性,结合nCode DesignLife对波纹管疲劳寿命进行了预测,并验证其准确性。研究了关键工艺参数(压力、位移、速度)对波纹管波峰、波谷等关键特征区域应力、应变和疲劳寿命的分布演变规律。研究表明：波纹管在只施加外压的工况下,波峰内壁处更容易产生疲劳损伤,位移载荷对波纹管应力应变分布影响更为显著,位移越大,波纹管更容易产生应力集中。在加载位移不变时,速度越大,波纹管等效应力越大,此时耦合0.2 MPa外压,抵消部分应力集中。在0.2 MPa外压下,当压缩速度由0.5 m/s增加到4 m/s,最大等效应力由378.89 MPa增加到424.27 MPa,疲劳寿命由49 540次减小到3 064次。     

阀门用波纹管的应力分析

基于有限元方法建立了阀门用波纹管的应力分析方法,通过对波纹管进行有限元分析。结果表明,无论何种工况,波纹管各层的应力分布规律基本相同,其分布规律是波峰与波谷部位应力较大,其余部位应力较小;在位移载荷(拉或者压)作用下,波纹管的最大等效应力均发生在波谷位置;在拉伸位移-内压联合作用下,结构最大应力发生在波峰,在压缩位移-内压联合作用下,结构最大应力发生在波谷;在工作状态下,波纹管的应力主要是由位移载荷引起,因此,在使用过程中应严格控制位移的大小。     

二级波纹管截止阀用波纹管结构强度及疲劳可靠性研究

为保障核二级波纹管截止阀的高安全可靠性,波纹管元件需实现阀杆密封处的零泄漏,其结构强度及疲劳寿命可靠性的研究就显得尤为重要。基于材料、结构及边界条件非线性理论,通过ANSYS Workbench有限元软件对核二级波纹管截止阀用U型波纹管在分别承受外压、拉压位移载荷及外压和拉压位移载荷共同作用下波纹管结构强度及疲劳可靠性问题进行分析,分别研究了波纹管的间隙和拉压位移对波纹管结构强度和疲劳寿命的影响。结果表明:较小的层间距应力值相对较小,疲劳寿命更高;拉压位移载荷对疲劳寿命的影响较大,使用过程中要严格控制;通过研究阀用波纹管的强度及疲劳可靠性为截止阀用波纹管的制造和使用提供了参考。     

椭圆度影响下金属波纹管柱失稳外压计算模型的建立与分析

金属波纹管柱相较于传统管材,由于其结构特征而具有良好的可塑性,故在长距离油气输送工程中被广泛应用并发挥着不可替代的作用。金属波纹管柱的安全稳定对油气管道工程的稳定运行具有重要意义,影响金属波纹管破坏强度的因素除了残余应力、管道轴向载荷外,其自身因素也必须予以考虑。美国API-5C3规范中讨论了金属管屈服强度、管径、壁厚对管道失稳外压的影响,但未把椭圆度作为一个影响因子进行讨论。实验及数值模拟证实,金属管的失稳外压随着椭圆度的增加而降低,有必要研究椭圆度对金属波纹管柱失稳外压的影响。     

基于ASME Ⅷ-2的外压波纹管分析计算

强度、疲劳与稳定性是波纹管的主要力学性能指标,在波纹管设计过程中必须全面考虑。建立外压和轴向拉伸位移作用下的波纹管有限元模型,采用ASMEⅧ-2中极限载荷分析、屈曲分析以及弹塑性疲劳分析方法进行计算。结果表明,极限载荷分析可以较为准确地确定波纹管的极限载荷,且对波纹管设计参数和结构尺寸没有限制;屈曲分析可以确定波纹管失稳上限载荷;弹塑性疲劳分析可以预测波纹管的失效位置和疲劳寿命。本文的计算研究对波纹管设计具有一定的参考价值。     

碟形金属波纹管的内压稳定性研究

通过有限元软件和稳定性试验研究了碟形金属波纹管的内压稳定性，有限元分析得到的波纹管临界失稳内压值与试验值接近，失稳模态与试验结果一致，说明建立的有限元模型能够较好地分析碟形波纹管的稳定性，并利用有限元分析了波纹管几何参数对其稳定性的影响。根据EJMA标准中U形波纹管临界失稳内压的计算方法，得到了碟形波纹管平面失稳和柱失稳临界失稳内压的计算公式，公式计算结果得到了有限元的验证，具有一定的工程应用价值。     

基于ABAQUS的金属波纹管成形分析及应用研究

基于ABAQUS软件的非线性分析方法,构建了金属波纹管的成形过程和使用过程的力学模型。根据金属管材内高压成形的特点,分析了在特定的内压加载路径和补料相对位移路径条件下成形各阶段的坯料Mises应力分布,描述了内高压成形中存在的加工硬化、坯料减薄、工件回弹、残余应力等工艺特点,并通过ABAQUS软件的预定义场的设置将成形过程中存在的残余应力场和应变场全部加载到使用工况的分析中。在使用工况分析里重新设置边界条件,分析了在介质外压情况下波纹管从拉伸到压缩整个循环的Mises应力分布。使用ABAQUS/FE-SAFE模块,分析了在给定的位移加载序列情况下波纹管的疲劳寿命。研究结果表明,在金属波纹管成形后不做强化或者热处理的前提下,要将预定义场作为一个先决条件加在工件边界条件的设定之前,从分析结果来看,先期成形阶段的残余应力和变形与后继工况的复合作用的结果影响了工件的使用工况下的应力分布和使用寿命。同时分析显示,在使用工况下,不排除金属波纹管发生二次塑性变形的可能,其结果是提高了该处的流动应力。     

U形波纹管复合载荷与模态分析

利用有限元方法对连接用金属波纹管建模,分别进行了轴向载荷及复合载荷下的变形计算,分别得到了波纹管在复杂载荷下的变形量和应力。同时进行模态分析,得到前6阶固有频率和振型。计算结果表明,波纹管波谷处的应力较大,且波谷处的应力值大于波峰处的应力值,波纹管的低阶振型是自由端的横向振动,对波纹管的安全性影响不大。第10阶振型是轴向拉伸和扭转的叠加,易导致其断裂失效。     

多层U形波纹管的疲劳寿命有限元分析

应用非线性有限元法,综合考虑几何非线性、材料非线性和边界非线性等因素,采用平面轴对称单元和柔性的面-面接触对,建立了多层U形波纹管的非线性有限元模型,较好地解决了层间的接触问题.借助ANSYS软件对多层波纹管在轴向载荷与内压组合作用下的应力分布规律进行了探讨,利用结构的局部应力应变状态对波纹管的疲劳寿命进行了预测,同时考虑了波纹管的层数、壁厚减薄效应以及内压大小对于计算结果的影响,为波纹管的疲劳设计提供了依据.     

内压—压缩位移载荷作用下U形波纹管平面失稳判据的应用研究

本文在U形无加强波纹管平面失稳判据研究的基础上，对内压和轴向位移载荷作用下不锈钢波纹管的平面失稳临界工况线，采用了作图法和参数拟合方法加以简化，使之能够应用于工程设计。     

负压或真空条件下Ω形波纹管的计算研究

Ω形波纹管通常用于高压场合,但在许多实际应用中需要Ω形波纹管按多工况设计,既要承受较高的内压,又要承受负压或真空。EJMA标准提供了Ω形波纹管承受内压时的计算方法,但该标准明确说明受负压的Ω形波纹管不包含在标准中。目前国际上的其他波纹管膨胀节的设计标准和规范也均未涉及受负压的Ω形波纹管的计算。对此进行了分析研究并对部分结果通过有限元分析进行验证,提出了受负压或真空的Ω形波纹管的推荐计算方法。     

位移载荷作用下U形波纹管的疲劳寿命研究

金属波纹管膨胀节是受热管网和设备进行热补偿的关键部件之一,具有一定的使用寿命,位移载荷会使波纹管产生超过屈服强度的应力,出现疲劳损伤,当累积损伤达到一定程度,波纹管就发生失效.对波纹管在内压及位移共同作用下进行疲劳寿命试验研究,结果表明,对称循环位移下波纹管的疲劳寿命最高,单侧压缩位移下波纹管的疲劳寿命最低,建议对膨胀...     

有限元法在膨胀节设计计算中的应用

本文介绍了应用有限元进行膨胀节设计的方法,并通过对比标准计算值和有限元分析计算结果,证明了有限元分析计算用于膨胀节设计的可行性。同时还给出了通过有限元分析得出的膨胀节在受内压和轴向位移作用时的应力分布规律。     

波纹换热管稳定性研究

本文根据试验和有限元分析,研究了波纹换热管在外压作用下的应力分布、失稳规律及其变形特点。结果表明,直管段稳定性最差,波峰最好,波谷居中。文中提出了波纹换热管临界压力预测计算式。     

一种气-液复合驱动柔性关节的建模与动态仿真

提出一种结构新颖的柔性关节，此关节具有缓冲性好、动作灵敏的特点，多关节可组合成操作机械手。给出了关节的基本结构和工作原理，结合受力分析，建立了关节角位移与弹性波壳内腔压力间的数学表达式，确立了弯曲的弹性波壳的内腔体积与波壳整体弯曲角度之间的积分方程，构造了关节角位移与时间量之间的动态模型，并进一步根据示例进行了静态分析与动态仿真。     

一种铰链式气动缓冲性关节的建模与动态仿真

提出一种结构新颖的、弹性波壳伸缩的缓冲性手指关节,关节具有缓冲性好的特点,多关节可组合成操作机械手。文中给出了关节的基本结构和工作原理,结合受力分析,建立了关节角位移与弹性波壳内腔的气体压力之间关系的数学表达式与静力分析算法,同时确立了关节角位移的动态模型,并进一步根据示例进行静态分析与动态仿真。     

用非线性有限元分析波纹管的稳定性

本文应用稳定性的理论，考虑材料非线性、几何非线性和大应变等情况解决了波纹管受内压稳定性的问题，理论计算结果和实验吻合的相当好。该问题是波纹管设计的难点之一。同时还拓宽了波纹管稳定性的含义，解决了在拉、压、弯曲、横向位移的内压稳定性问题，并编制了波纹管稳定性通用程序。