波紋管ANSYS有限元分析

1、第一章綜述1.1波紋管的發(fā)展波紋管膨脹節(jié)是壓力容器和管道系統(tǒng)中常用的連接和補(bǔ)償裝置，其主體是金屬 波紋管。它的特點是軸向剛度較小，徑向剛度較大，故能夠承受較大的軸向位移，同 時還能夠承受一定的內(nèi)、外壓，常用于補(bǔ)償管道因溫度變化、機(jī)械位移或振動引起 的軸向、橫向和角向位移。運行中的波紋管的波峰波谷部位實際處于彈塑性區(qū)域，但是，目前波紋管常用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是將波紋管視為梁或曲桿，通過梁理論進(jìn)行彈性的應(yīng)力應(yīng)變分析， 這勢必會帶來較大的誤差。隨著數(shù)值分析技術(shù)和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，利用非線性有限元技術(shù)對波紋管進(jìn)行較為精確的應(yīng)力應(yīng)變分析已成為波紋管研究領(lǐng)域的一 項重要課題。本文吸取了前人在有限元程序設(shè)計上的

2、經(jīng)驗，根據(jù)波紋管自身的非線性特性， 利用Fortran Pow erStation 410與 Visual C+ 610混合語言編程技術(shù),開發(fā)出一 套界面友好，使用方便，求解精度較高的波紋管有限元應(yīng)力應(yīng)變分析專用軟件系 統(tǒng)。1.2波紋管非線性特性與有限元程序設(shè)計固體力學(xué)問題，從本質(zhì)上講都是非線形的，線性假設(shè)只是實際問題的一種簡 化。線性分析的基本假設(shè)包含三點：結(jié)點位移為無限小量，材料為線彈性，加載時 邊界條件的性質(zhì)保持不變。如果上述假設(shè)中的任一條不能滿足，則屬于非線性問題。 常見的是不滿足前兩種假設(shè)的非線性行為，分別稱為幾何非線性和材料非線性。1.3波紋管的非線性特性工作狀態(tài)下的波紋管伸縮變形

3、是一種復(fù)雜的非線性變形。在小載荷情況下，波紋管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性特征，而當(dāng)其承受較大的位移補(bǔ)償時，結(jié)構(gòu)處于高應(yīng)力 水平，波峰和波谷的局部處于塑性區(qū)，此時，一般采用彈性線性強(qiáng)化模型分析波紋 管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。另外，波紋管的單波位移量一般大于壁厚，屬于大位移行為， 同時，大量的研究表明，此時的波紋管大部分區(qū)域依然處于小應(yīng)變范圍。因此，運行狀況下的波紋管還表現(xiàn)出大位移、小應(yīng)變的幾何非線性特征。非線性有限元程序設(shè)計本軟件系統(tǒng)所用的求解程序是一個通用的二維非線性有限元程序，圖1是該程序的流程圖，其主體部分借鑒了文獻(xiàn)132中提出的有限元程序設(shè)計方法。iufffi疸環(huán)圖1.1 二維非線性有限元程序流程I迭

4、代歯環(huán)波紋管有限元計算模型根據(jù)波紋管的幾何特征和載荷特征，系統(tǒng)采用二維軸對稱模型進(jìn)行求解，單元 類型為8結(jié)點拋物線等參單元，并開發(fā)出相應(yīng)的前處理程序。以U型波紋管為例, 通過輸入波紋管的基本波形參數(shù)、材料參數(shù)和運行狀況參數(shù)，便可建立如圖2所示 的計算模型，自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界約束和等效結(jié)點力加載。圖1.2波紋管二維軸對稱有限元計算模型波紋膨脹節(jié)被廣泛應(yīng)用于管路熱補(bǔ)償、隔振、降噪。自40年代以來，世界各工業(yè)國家的研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家對作為其主要組成部分的波紋管進(jìn)行了廣泛的研究。在不同工況下對波紋管進(jìn)行應(yīng)力）應(yīng)變的分析是評估其對各種工況承受能力的 基礎(chǔ)和重要組成部分。70年代之前的結(jié)構(gòu)分析主要采用

5、解析法，根據(jù)近似簡單梁、 近似圓柱體、近似殼體的假設(shè)，依據(jù)彈性理論得到波紋管殼體中的應(yīng)力）應(yīng)變值 1。但由于波紋管本身是一種較為復(fù)雜的軸對稱薄壁殼體，且在絕大多數(shù)工況下材 料處于彈塑性大變形范圍內(nèi)，因而在解析解與波紋管材料的實際響應(yīng)之間存在著較 大的誤差。為使兩者間達(dá)到近似的統(tǒng)一，學(xué)者們在解析法得到的近似解中引入了由圖 表形式給出的修正系數(shù)。這種方法目前正廣泛應(yīng)用于設(shè)計以及生產(chǎn)部門，如EJMA規(guī)范中的應(yīng)力計算式2 o70 年代以后，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析在結(jié)構(gòu)分析中的地位日 漸突出，許多商用有限元軟件應(yīng)運而生。有限元分析以其在解決幾何非線性、材料 非線性和結(jié)構(gòu)非線性問題方向的獨特

6、優(yōu)勢而為愈來愈多的研究人員所接受。非線性 有限元計算能夠有效地解決傳統(tǒng)的解析法無法計算的波紋管彈塑性大變形范圍內(nèi)的 載荷）應(yīng)力響應(yīng)問題。但由于以往有限元計算軟件方面的局限性，其分析結(jié)果距離能夠真正運用到波紋管的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性設(shè)計方面還有一定的差距。本文建立了波紋管非線性分析模型，并采用大型有限商用軟件ANSYS進(jìn)行了計 算，計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，得到了與波紋管設(shè)計計算有關(guān)的載荷）應(yīng)力 響應(yīng)關(guān)系，并就波紋管非線性有限元計算進(jìn)行研究。第二章建模過程及求解2.1波紋管結(jié)構(gòu)示意圖圖2.1參數(shù)含義2.2第一組數(shù)據(jù)表2-1外徑內(nèi)徑壁厚波距波高波紋管波峰半波谷半層波參數(shù)DSTB長度L徑R1徑R

7、2數(shù)數(shù)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(m)(m)數(shù)7736981907544023. 721 . 314值具體坐標(biāo)1( )2 ( )3 ( )4( ) 5 ( )6( 151.3.0.0 ) 7 ( 151.3.70.0 )8( 198.7.70.0 )9( 198.7.0.0 )10 ( 241.3.0.0 )11( 241.3.0.0 )12( 288.7.70.0 )13 ( 288.7.0.0 )14 ( 331.3.0.0 )15 ( 331.3.70.0 )16( 378.7.70.0 )17( 378.7.0.0 )18( 440.0.0)19(

8、 0.-349.0 )20(440.-349.0 )建立坐標(biāo)關(guān)鍵點ANSYS Main Menu:選擇 PreprocessorModeling Create Keypoints InActive CS填寫對應(yīng)坐標(biāo)KinjIIS VJHE MUHAhl SYSER 191«17i31IQ3i圖22 坐標(biāo)點圖生成特征點并且連接、倒圓角、布爾操作選擇 Preprocessor|Modeling|Create|Lines|Straight Line單出 Create StraightLine框，連接各點。如下圖所示選擇 Preprocessor|Modeling|Operate|Boole

9、ans|Add|LinesATJSS|Cal*圖2.3 坐標(biāo)點連線生成殼體選擇 Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines圖2.4螺線管殼體225劃分網(wǎng)格ANSYS Mai n Menu: Preprocessor Meshi ng Mesh TooH (Size Con trols) lines圖2.5網(wǎng)格劃分分析計算選擇 Solution|Solve|Current LS得出結(jié)果偏移量STEPlI9m -iIMK -4百曲理圖2.6 偏移圖228分析計算圖2.7 應(yīng)力云圖這個是應(yīng)力云圖，從圖2.7中可以看出當(dāng)最大位移是45mm勺時候最大

10、應(yīng)應(yīng)力是491mpa最小應(yīng)力是3.3281mpa.最大應(yīng)力接近屈服極限 480mpa,因此可以認(rèn)為波紋 管最大補(bǔ)償是45mmiras 二 W2jrr :»r-.mu 云ZE4.>?24ifile圖2.8位移云圖ANSYSIS17:JI:1740.CZB241.012. T這個是位移圖2.8，當(dāng)位移是45mm的時候達(dá)到304材料的最大屈服極限2.3第二組數(shù)據(jù)表2-2參 數(shù)外徑D(mm)內(nèi)徑D2(mm)壁厚S(mm)波距T(mm)波高B(mm)波紋管 長度L(mm)波峰半徑R1 (mm)波谷半徑R2(mm)層 數(shù)(m)波數(shù)(m)數(shù) 值7236481907544023. 721 .

11、314具體坐標(biāo)1( )2( )3 ( )4( )5( )6( 151.3.0.0 ) 7 ( 151.3.70.0 )8( 198.7.70.0 )9 ( 198.7.0.0 )10 ( 241.3.0.0 )11( 241.3.0.0 )12( 288.7.70.0 )13( 288.7.0.0 )14 ( 331.3.0.0 )15 ( 331.3.70.0 )16( 378.7.70.0 )17( 378.7.0.0 )18( 440.0.0)19( 0.-324.0 )20(440.-324.0 )定義材料參數(shù)因為我們選的材料是304,上網(wǎng)查的304鋼所對應(yīng)的彈性模量是1.9e11pa

12、，泊松比是0.305建立坐標(biāo)關(guān)鍵點ANSYS Main Menu:選擇 Preprocessor f Modeling f Create f Keypoints f InActive CS填寫對應(yīng)坐標(biāo)rm pwflH圖2.9坐標(biāo)點圖生成特征點并且連接、倒圓角、布爾操作選擇 Preprocessor|Modeling|Create|Lines|Straight Line單出 Create Straight Line框，連接各點。如下圖所示選擇 Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines圖2.10 坐標(biāo)連線生成殼體選擇 Preprocessor

13、|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines圖2.11 螺紋管殼體劃分網(wǎng)格ANSYS Mai n Menu: Preprocessor Meshi ng Mesh TooH (Size Con trols) lines分析計算選擇 Solution|Solve|Current LS得出結(jié)果偏移量5TE ：IU-：IKK =43.O3TZHU IQ 3QLC>HiKiKflr.-.:>:.:r.;-:".IpL;>rJ'f:u-* i*>:*-a;:-Hp-«: lt:.!瓷fllF第刃趴切簡抽屮円翻-|疽訓(xùn)w瓷勺丿

14、-_ :1£ r h: 4Y « fb EI _ HL- Llt-1 Fl rKrk r I Lr - U.IL 簞十宦洱診科溥"1:!鳥遼腳風(fēng):日口驛嗎”日帶內(nèi)”圖2.13 偏移圖應(yīng)力及波紋處受力分析圖2.14應(yīng)力云圖這個是應(yīng)力云圖，從圖2.14中可以看出當(dāng)最大位移是43mm的時候最大應(yīng)應(yīng)力是436.04 mpa，最小應(yīng)力是9.1958 mpa.最大應(yīng)力接近屈服極限480mpa,因此可以認(rèn)為波紋管最大補(bǔ)償是43mm圖2.15位移云圖這個是位移云圖此時的位移補(bǔ)償量為2.15，當(dāng)位移是43mm的時候達(dá)到304材料的最大屈服極限。43mm第三章結(jié)論說明3.1通過上面兩

15、組數(shù)據(jù)的對比分析，得出以下結(jié)論(1) 內(nèi)徑對波紋管的補(bǔ)償量是很大的，第一組數(shù)據(jù)內(nèi)外徑 D=773m，d=698波紋管的補(bǔ)償量是45mmB勺時候它的應(yīng)力接 近最大屈服極限480mpa;第二組數(shù)據(jù)內(nèi)外徑D=723mm d=648波紋管的補(bǔ)償量是43mmt勺時候它的應(yīng)力接 近最大屈服極限480mpa.內(nèi)外徑相差50mm波紋管的補(bǔ)償量就相差2mm由此可以看出內(nèi)外徑對波紋管 的影響是不可忽略的(2) 波紋管通常要求有盡可能大的補(bǔ)償量，因此波紋管在滿足承壓的前提下， 盡可能減小內(nèi)徑，以獲得較高的柔性。參考文獻(xiàn)1 葉青.微機(jī)原理與接口技術(shù)清華大學(xué)出版社，2011:9-1.2 薛華成.管理信息系統(tǒng)M.北京：清

16、華大學(xué)出版社，1993 : 99-103.3 李暉.高性+能計算機(jī)若干關(guān)鍵問題研究D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009 : 125-138.沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院工程軟件實踐應(yīng)用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化班 級: 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師:工程軟件應(yīng)用實踐任務(wù)書機(jī)械制造及其自動化 專業(yè)班 學(xué)生:論文題目：內(nèi)外徑對U形波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償能力的影響具體參數(shù):參數(shù)1參數(shù)2外徑Di(mm)773723內(nèi)徑D2(mm)698648壁厚(mm)11波距T(mm)9090波高B(mm)7070波紋管長度L(mm)440440波峰半徑R1(mm)23.723.7波谷半徑R2(mm)21.321.3層數(shù)m11波數(shù)n44材料304304指導(dǎo)教師： 201年 月 日目錄第一章 綜述. 11.1 波紋管的發(fā)展 11.2 波紋管非線性特性與有限元程序設(shè)計 11.3 波紋管的非線性特性 11.3.1 非線性有限元程序設(shè)計 21.3.2 波紋管有限元計算模型 2第二章 建模過程及求解 42.1 波紋管結(jié)構(gòu)示意圖 42.2 第一組數(shù)據(jù) 42.2.1 具體坐標(biāo) 42.2.2 建立坐標(biāo)關(guān)