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波纹补偿器设计方法的剖析

2019-04-13 17:34:43

波纹补偿器设计须满足两方面要求,作为柔性元件能补偿热胀冷缩位移,同时作为承压元件应具有足够强度承受系统的内压(或外压)。U形波纹管基本结构由直边圆筒、环板和环壳组成,其受到载荷可分为压力载荷和位移载荷,结构和载荷因素决定了波纹管的强度设计复杂性。目前波纹补偿器设计方法可以分为解析法、工程近似法和数值模拟法3种。

解析法以薄壳理论为基础,建立波纹管的微分方程,求解应力和位移的解析解,其过程非常繁杂,实际设计中难以采用。

为了设计计算简便,工程近似法将波纹管简化为两端固支的直梁或曲梁模型,采用材料力学公式进行计算。考虑到梁模型与实际情况之间的误差,现行标准中采用对梁模型计算结果进行实验数据的修正方法,这种工程近似法具有的准确性,但因为是经验公式,有的应力计算结果偏于保守,同时由于实验数据有限,公式的适用性也受到限制。

近年来计算机硬件技术飞速发展,为数值模拟方法在工程中应用创造了硬件条件,三维有限元软件广泛应用又为数值模拟计算提供了强有力的工具。为了克服上述工程近似法的局限性,数值模拟方法在波纹管强度校核、疲劳寿命分析和刚度计算中的应用,使波纹补偿器加设计。

波纹补偿器的刚度是指产生单位位移所需要的作用力,单位为N/mm。刚度数值与波纹补偿器上波纹管的壁厚、直径、波高、波距、波数以及材料的弹性模量有关。

采用数值模拟方法,能根据波纹管实际几何尺寸,建立三维计算模型,避免了简单条状梁模型误差。同时,当波纹补偿器发生屈服后,在有限元计算过程中可以输入材料实际的应力—应变本构关系,从而加地模拟发生塑性变形时波纹补偿器载荷与位移变化情况,得到加符合实际波纹管刚度数值。