在对阀门用金属波纹管有限元结构分析的基础上, 比较了8 形和U 形金属波纹管承载和变形补偿能力。研究表明, 对几何参数相同的8 形和U 形金属波纹管, 8 形金属波纹管承受内压的能力大于U 形金属波纹管, 而U 形金属波纹管承受轴向力的能力则大于8 形金属波纹管。在相等的轴向力作用下, 8 形金属波纹管轴向补偿量较大, 但在各自最大轴向载荷作用下, U 形金属波纹管能达到的轴向补偿量更大。
金属波纹管具有位移补偿、减振降噪和密封的作用, 目前已被广泛应用于热力管线、工艺管线、阀门和压力容器等设备上[ 1] 。金属波纹管的结构形式较多, 常用的有U 形和8 形金属波纹管等。U 形金属波纹管一般用于补偿量较大的场合, 而8 形金属波纹管则主要用于压力较高的场合[ 2] 。对金属波纹管应力应变的分析研究方法主要有解析法、工程近似法和数值分析法3 种, 其中工程近似法应用较为普遍[ 3] 。随着计算机和计算数学的兴起, 以有限元分析方法为代表的数值分析技术正被越来越多地应用到波纹管的设计分析中[ 4~ 7] 。但现有文献报道的对象几乎都以U 形金属波纹管为主, 对8 形金属波纹管的报道甚少。文中采用有限元分析方法对阀门用8 形金属波纹管的力学性能进行分析, 研究8 形金属波纹管在拉伸、压缩、内压及其组合条件下的应力、应变分布情况, 并对几何结构参数相同的8 形和U 形金属波纹管在相同工作状态下的承载和变形补偿能力进行比较, 分析两者力学特性的差异。
1 金属波纹管阀门计算模型
1. 1 金属波纹管阀门几何模型
参照GB 16749 ) 1997 5压力容器波形膨胀节6[ 8] , 笔者选择了如图1 所示的2 种具有典型外形结构的U 形和8 形金属波纹管进行分析。为了便于比较, 图1a 和图1b 中的波高h、筒体直边段长度
l、波距w 、波数n、倒圆半径r 、波纹管壁厚D、波峰大圆弧半径R 和波纹管外径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 金属波纹管阀门有限元模型
由于金属波纹管一般具有轴对称的几何结构,其约束和受力状况也是轴对称的, 因此文中采用ANSYS 软件中的PLANE82 轴对称单元建立有限元模型。该单元具有8 节点, 适用于大变形、大应变分析。采用四边形映射网格, 波纹管1 个波段结构的网格划分见图2。试样材料为1Cr18Ni9Ti, 其弹性模量E= 196 GPa, 设计应力强度Sm = 257 MPa,密度Q= 7. 8 @ 103 kg / m3 , 泊松比L= 0. 3。

1. 3 金属波纹管阀门计算工况
金属波纹管在工作过程中的受力较为复杂, 难于精确分析, 因此笔者在分析过程中将受力状况简化, 分别研究8 形和U 形金属波纹管在2~ 4 MPa的内压以及20~ 120 kN 轴向拉伸载荷作用下的不同力学表现。

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