體積補(bǔ)償用大尺寸焊接波紋管有限元分析

1、    體積補(bǔ)償用大尺寸焊接波紋管有限元分析    龍俞伊+柴寶華+馮波【摘 要】焊接波紋管由于具備較大的伸縮率，通常被視為吸收液態(tài)工質(zhì)體積膨脹的優(yōu)良元件。本文使用ansys workbench軟件中的靜力學(xué)分析模塊，采用軸對(duì)稱模型方法對(duì)網(wǎng)格劃分比較困難的大直徑薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)inconel 718材質(zhì)的焊接波紋管進(jìn)行模擬分析，獲取了剛度、承壓能力以及預(yù)期疲勞壽命等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明有限元方法便捷性高，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合較好，可用于復(fù)雜波形焊接波紋管的設(shè)計(jì)?！娟P(guān)鍵詞】焊接波紋管；體積補(bǔ)償；有限元分析0 前言太空運(yùn)行的航天器通常使用液態(tài)有機(jī)工質(zhì)或液態(tài)金屬

2、進(jìn)行換熱，工質(zhì)運(yùn)行溫度最高可達(dá)到400600，其密度值相差很大，體積膨脹量可達(dá)原體積15%以上。由于太空環(huán)境對(duì)安全性要求很高，因此密封性較好的金屬波紋管經(jīng)常被用作吸收體積膨脹的彈性元件。金屬波紋管主要包括成形波紋管和焊接波紋管兩大類1，成形波紋管制造方便，可直接沖壓成形，但剛度較大；焊接波紋管的剛度較小，它是將薄板沖壓得到的環(huán)狀波片沿內(nèi)外邊緣交替焊接得到的。從波形來(lái)區(qū)分，焊接波紋管還可以細(xì)分為對(duì)稱式和層疊式。對(duì)稱式焊接波紋管的位移與所受的壓力之間有良好的的線性關(guān)系，適合在壓力傳感器等精密儀表里作為彈性元件，但位移量較??；而層疊式波紋管適合承載較大的壓力和變形，軸向伸縮位移很大，因此一般采用層疊

3、式波紋管用于液體工質(zhì)體積補(bǔ)償。層疊波紋管波片的波形一般是非線性的，進(jìn)行理論分析時(shí)不易獲得精確的計(jì)算值，因此目前的設(shè)計(jì)中多采用工程經(jīng)驗(yàn)公式和有限元方法結(jié)合進(jìn)行。直徑較小的波紋管目前研究較多2-3，可直接采用三維模型進(jìn)行分析；而直徑大而壁厚又較薄的焊接波紋管，直接進(jìn)行三維模型的模擬計(jì)算難度較大，需要通過(guò)一些處理手段來(lái)進(jìn)行分析。本研究的對(duì)象即為大直徑薄壁的層疊式焊接金屬波紋管。1 波紋管型式與尺寸某體積補(bǔ)償設(shè)備工作溫度超過(guò)500，要求選用耐高溫層疊焊接波紋管作為補(bǔ)償元件。普通金屬波紋管的材料通常選用s30403和s31603等牌號(hào)的不銹鋼，在工作溫度達(dá)到500以上時(shí)，上述普通不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度較低

4、，已經(jīng)接近100mpa。為此選用inconel 718合金作為波片材料，室溫下密度為8200kg/m3，其屈服強(qiáng)度在500時(shí)仍然可達(dá)到850mpa，彈性模量為1.7×1011pa。波紋管外徑445mm，內(nèi)徑410mm，波片厚度0.18mm，波距5mm，共16波。波紋管兩端有固定法蘭，法蘭厚度2mm。波紋管波形及連接法蘭的局部剖面如圖1所示。2 模型簡(jiǎn)化焊接波紋管的有限元分析采用ansys workbench軟件中的靜力學(xué)模塊，該模塊中自帶網(wǎng)格劃分工具mesh。由于波紋管波形復(fù)雜，波數(shù)較多，直徑的尺度和厚度的尺度相差過(guò)大，進(jìn)行全尺寸三維模型的計(jì)算較為困難，因此計(jì)算中使用軸對(duì)稱模型將波紋

5、管簡(jiǎn)化為2d模型進(jìn)行計(jì)算。軸對(duì)稱模型是對(duì)稱于轉(zhuǎn)軸而變形的問(wèn)題，在軸對(duì)稱情況下，只能有徑向和軸向位移，不允許有周向的位移。對(duì)于體積補(bǔ)償用的波紋管來(lái)說(shuō)，液體均勻膨脹和收縮時(shí)可視為無(wú)扭轉(zhuǎn)變形，因此可適用軸對(duì)稱模型。必須注意的是，軸對(duì)稱模型必須位于整個(gè)坐標(biāo)系的xy平面中，并將分析模式設(shè)為2d，并且設(shè)定平面類型為“axisymmetric”。為了驗(yàn)證軸對(duì)稱模型的可行性，以及與三維模型計(jì)算結(jié)果的誤差程度，建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的v型波紋管模型，共3波，波片內(nèi)徑100mm，外徑135mm，波片厚度0.2mm，兩端帶法蘭，材料為普通結(jié)構(gòu)鋼。對(duì)其1/4對(duì)稱三維模型和軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，對(duì)軸對(duì)稱模型施加80n的力載荷

6、，而1/4模型則施加20n的力載荷，兩者是等效的。其計(jì)算結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，軸對(duì)稱模型與三維模型計(jì)算值相差不超過(guò)2%，使用軸對(duì)稱模型具有足夠的準(zhǔn)確度。用同樣方法得到實(shí)際分析用波紋管計(jì)算模型的軸對(duì)稱模型，網(wǎng)格劃分后效果如圖2所示，單元數(shù)共21561，節(jié)點(diǎn)數(shù)77572。該網(wǎng)格最小尺寸達(dá)到0.09mm，可保證在波片厚度方向上至少有2層網(wǎng)格。3 有限元分析結(jié)果3.1 承壓計(jì)算將上法蘭和下法蘭用fixed support條件進(jìn)行固定，施加法向壓力載荷pressure。將計(jì)算的總步數(shù)step設(shè)為20步，每秒增加0.05mp。計(jì)算后波紋管受外壓變形情況如圖3所示，可以看到上下波片在受外壓時(shí)會(huì)趨向

7、于變形貼近。計(jì)算后，得到如表2所示的結(jié)果。以表中的最大等效應(yīng)力值和加載壓力值繪制曲線，以波紋管屈服應(yīng)力850mpa進(jìn)行線性插值，就可以計(jì)算出波紋管承外壓能力達(dá)到0.26mpa左右。以同樣方法對(duì)內(nèi)邊界施加載荷，所計(jì)算得的承內(nèi)壓能力基本與承外壓能力相差較小，均為0.26mpa。3.2 剛度計(jì)算對(duì)波紋管的下法蘭施加固定約束，對(duì)上法蘭邊緣施加壓縮力和拉伸力，通過(guò)結(jié)果中的載荷力與位移量（toral deformation）的比值即可得到剛度值。剛度值k用式（1）計(jì)算4。以表格形式輸入時(shí)間步長(zhǎng)和載荷力，作為計(jì)算的輸入值，得到拉伸和壓縮狀態(tài)下剛度和位移的計(jì)算結(jié)果，如圖4所示?？梢钥吹剑瑢盈B波紋管的剛度隨位移

8、會(huì)產(chǎn)生一定的變化，位移越大，剛度值越小。計(jì)算得到波紋管的剛度平均值為17.8n/mm。3.3 預(yù)期疲勞壽命體積補(bǔ)償用波紋管有時(shí)會(huì)需要經(jīng)歷多次伸縮工況，為考察波紋管在反復(fù)拉壓情況下的長(zhǎng)期工作性能，使用靜力學(xué)模塊中的fatigue tool工具獲取疲勞壽命，在結(jié)果中的“l(fā)ife”選項(xiàng)中進(jìn)行查看。fatigue tool工具基于疲勞壽命曲線（s-n曲線）方法，其原理如圖5所示。在低周區(qū)域采用應(yīng)變分析，在高周區(qū)域采用應(yīng)力分析，可在工具中通過(guò)選型進(jìn)行調(diào)整。使用該方法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確設(shè)置材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及s-n曲線數(shù)據(jù)，以及繪制準(zhǔn)確的波形，包括焊接部位的情況。計(jì)算結(jié)果表明，在壓縮50mm，伸長(zhǎng)20m

9、m的工況下，其疲勞壽命計(jì)算值超過(guò)3.2×105次，裕量是非常充裕的。 3.4 試驗(yàn)對(duì)比焊接波紋管在壓縮60mm左右時(shí)實(shí)際測(cè)量的剛度值為17.6n/mm，與計(jì)算值17.8n/mm相差不超過(guò)2%；波紋管在0.25mpa的氣壓測(cè)試時(shí)工作良好，未出現(xiàn)破裂泄露現(xiàn)象；波紋管進(jìn)行1萬(wàn)次拉壓試驗(yàn)后未出現(xiàn)疲勞損壞情況。試驗(yàn)情況表明波紋管的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)值符合較好，具有較高的精確度。4 結(jié)論采用ansys軟件中的靜力學(xué)分析模塊，對(duì)直徑較大的薄壁焊接波紋管進(jìn)行了有限元分析，在設(shè)計(jì)中得到了剛度和承壓能力等數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：1）在不涉及扭轉(zhuǎn)力等周向邊界條件時(shí)，可用軸對(duì)稱模型代替三維模型對(duì)波紋管進(jìn)行剛度和應(yīng)

10、力分析，軸對(duì)稱模型與三維模型的分析結(jié)果誤差小于2%；2）有限元分析方法對(duì)剛度和承壓能力的計(jì)算值具有較高的準(zhǔn)確度，可用于波紋管尺寸的計(jì)算；3）利用fatigue tool工具可以快速進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測(cè)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于所繪制波形與實(shí)際波形的符合程度，以及材料s-n曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1劉俞銘.波紋管設(shè)計(jì)計(jì)算與生產(chǎn)新工藝新技術(shù)實(shí)務(wù)全書(shū)m.北京：北方工業(yè)出版社，2006.2張澤東，王國(guó)棟，陳長(zhǎng)琦，等.層疊焊接金屬波紋管承壓能力以及在循環(huán)拉壓作用下的力學(xué)分析j.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，36（5）：597-601.3黃笑梅，芮訓(xùn)誠(chéng).影響焊接波紋管剛度及承壓能力的參數(shù)研究j.機(jī)械設(shè)計(jì)制造，2014（11）：134-137.4安源勝，蔡仁良，何驍，等.機(jī)械密封用焊接金屬波紋管剛度的計(jì)算方法j.化工裝備技術(shù)，2001，22（1）：40-43.5馬克，尼加提，玉素甫，等. 大尺寸s型焊接金屬波紋管剛度及薄板焊接接頭應(yīng)力分析j.潤(rùn)滑與密封，2012，37（12）：65-68.6黃志新，劉成柱.ansys workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)m.北京：人民郵電出版社，2013.7t.nagamachi，t.mishiba and k.ka