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。

2 结果分析及比较
2. 1 承载能力
2. 1. 1 内压载荷
在进行内压有限元分析计算时, 首先约束2 个模型两端节点的轴向自由度, 然后在模型内壁面上加载2~ 4 MPa 的内压, 使波纹管处于膨胀状态, 计算不同内压下波纹管的应力值。内压为4 MPa 下8 形和U 形金属波纹管的Von Miss 等效应力分布云图见图3。由图3 看出, 在只受内压作用时, 8 形和U 形金属波纹管所受最大等效应力均发生在筒体直边段与倒圆角相连处。对其它波段来说, 最大等效应力发生在波谷内表面, 而最小等效应力则处于波峰位置附近

2 种金属波纹管在不同压力下所对应的最大等效应力见图4。由图4 可见, 在相同的内压作用下,U 形金属波纹管所受的最大等效应力略高于8 形金属波纹管的。2 种金属波纹管几何结构均存在几何不连续区, 根据JB 4732 ) 1995 5钢制压力容器) ) ) 分析设计标准6[ 9] , 结构连续区与结构不连续区的强度条件并不相同, 2 种金属波纹管承载能力的

定量分析见文献[ 10] 。但由图3 和图4 可定性得出结论, 即在相同内压作用下, U 形金属波纹管所受的最大等效应力略高于8 形金属波纹管的, 故8 形金属波纹管承受内压的能力稍大于U 形金属波纹管

2. 1. 2 轴向载荷
以拉伸为例, 在进行轴向力有限元分析计算时,首先约束2 个模型最右端节点的所有自由度, 然后在最左端节点上加载20~ 100 kN 的轴向载荷, 使波纹管处于拉伸状态, 计算不同拉伸载荷下波纹管的应力值。轴向力为60 kN 时8 形和U 形金属波纹管的Von Miss 等效应力分布见图5。由图5 可以看出, 在只受拉伸轴向力的情况下, 两种波纹管的最大等效应力同样发生在波谷的内表面, 但最小等效应力则发生在波节的中段。

2 种金属波纹管在不同轴向力作用下所对应的最大等效应力见图6。可以看出, 在相同轴向力作用下, 8 形金属波纹管所受的最大等效应力高于U形金属波纹管; 而在相同的设计应力强度Sm 下, 8形金属波纹管能承受的最大轴向力F 8max 低于U 形金属波纹管能承受的最大轴向力FUmax 。由图5 和图6 同样可定性得出, 在相同轴向载荷作用下, U 形金属波纹管所受的最大等效应力低于8 形金属波纹管, 因而U 形金属波纹管承受轴向力的能力大于8形金属波纹管。

2. 2 变形补偿能力
60 kN 轴向力作用下2 种金属波纹管的轴向位移分布云图见图7。由图7 可以看出, 位移最大值和最小值分别发生在波纹管的左、右两端, 文中以波纹管最左节点位移为轴向位移最大值。

2 种金属波纹管在不同轴向力作用下所对应的最大位移值见图8。由图8 可见, 在相同轴向力作用下, U 形金属波纹管轴向变形小于8 形金属波纹管的, 但在各自所能承受的最大轴向力作用下, U形金属波纹管最大轴向位移长度DUmax 大于8 形金属波纹管的最大轴向位移长度D8max 。所以, 对几何参数相同的2 种金属波纹管, 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 形金属波纹管的轴向补偿能力更大。

3 结论
¹ 对几何参数相同的8 形和U 形金属波纹管,在内压作用下, 8 形金属波纹管承受内压的能力大于U 形金属波纹管。º 在轴向力作用下, 2 种金属波纹管的最大等效应力均发生在波谷的内表面, 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 形金属波纹管轴向补偿能力更大。

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