波紋管ANSYS有限元分析

1、沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院 工程軟件應(yīng)用實(shí)踐第1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(diǎn)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(yùn)行中的波紋管的波峰波谷部位實(shí)際處于彈塑性區(qū)域, 但是, 目前波紋管常用的設(shè)計(jì)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

2、的一項(xiàng)重要課題。本文吸取了前人在有限元程序設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn), 根據(jù)波紋管自身的非線性特性, 利用 Fortran Pow erSta-tion 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(jì)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(shí)際問題的一種簡化。線性分析的基本假設(shè)包含三點(diǎn): 結(jié)點(diǎn)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

3、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(yùn)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。1.3.1非線性有限元程序設(shè)計(jì) 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,

4、 其主體部分借鑒了文獻(xiàn)132中提出的有限元程序設(shè)計(jì)方法。 圖1.1 二維非線性有限元程序流程1.3.2波紋管有限元計(jì)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(diǎn)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(yùn)行狀況參數(shù), 便可建立如圖 2 所示的計(jì)算模型, 自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 邊界約束和等效結(jié)點(diǎn)力加載。 圖1.2 波紋管二維軸對稱有限元計(jì)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

5、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(shí)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(jì)以及生產(chǎn)部門, 如 EJMA 規(guī)范中的應(yīng)力計(jì)算式 2 。 70 年代以后, 隨著計(jì)算機(jī)技

6、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(yùn)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(dú)特優(yōu)勢而為愈來愈多的研究人員所接受。非線性有限元計(jì)算能夠有效地解決傳統(tǒng)的解析法無法計(jì)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(jì)算軟件方面的局限性, 其分析結(jié)果距離能夠真正運(yùn)用到波紋管的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)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(jì)算, 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較, 得到了與波紋管設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算進(jìn)行

7、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)參數(shù)外徑D1(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7736981907544023721314表2-12.2.1具體坐標(biāo)1（0.0.0） 2（61.3.0.0） 3（61.3.70.0） 4（108.7.70.0） 5（108.7.0.0）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）

8、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.-349.0） 20（440.-349.0）2.2.2建立坐標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn) ANSYS Main Menu: 選擇Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS填寫對應(yīng)坐標(biāo) 圖2.2 坐標(biāo)點(diǎn)圖2.2.3生成特征點(diǎn)并且連接、倒圓角、布爾操作 選擇 Preprocessor|Modeling|Create|Lines|Straight Line

9、彈出Create StraightLine框，連接各點(diǎn)。如下圖所示 選擇Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 圖2.3 坐標(biāo)點(diǎn)連線2.2.4生成殼體選擇Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 圖2.4 螺線管殼體2.2.5劃分網(wǎng)格 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines 圖2.5 網(wǎng)格劃分2.2.6分析計(jì)算 選擇Solution|Solve|Current LS得出結(jié)果2.2.7偏

10、移量 圖2.6 偏移圖 2.2.8分析計(jì)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的時候最大應(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45mm 圖2.8 位移云圖 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)參數(shù)外徑D1(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7236481907544023721314表2-22.3.1具體坐標(biāo)1（0

11、.0.0） 2（61.3.0.0） 3（61.3.70.0） 4（108.7.70.0） 5（108.7.0.0）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）2.3.2定義材料參數(shù) 因?yàn)槲覀冞x的材料是304,上網(wǎng)查的304鋼所對應(yīng)的

12、彈性模量是1.9e11pa，泊松比是0.3052.3.3建立坐標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn) ANSYS Main Menu: 選擇Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS填寫對應(yīng)坐標(biāo) 圖2.9 坐標(biāo)點(diǎn)圖2.3.4生成特征點(diǎn)并且連接、倒圓角、布爾操作 選擇Preprocessor|Modeling|Create|Lines|Straight Line 彈出Create Straight Line框，連接各點(diǎn)。如下圖所示 選擇Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 圖2.10 坐標(biāo)連線2.3.5生成

13、殼體 選擇Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 圖2.11 螺紋管殼體2.3.6劃分網(wǎng)格 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines 圖2.12 網(wǎng)格劃分2.2.7分析計(jì)算 選擇Solution|Solve|Current LS得出結(jié)果2.3.8偏移量 圖2.13 偏移圖2.3.9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436.04mpa，最小應(yīng)力是9.1958m

14、pa.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2.15 ，當(dāng)位移是43mm的時候達(dá)到 304材料的最大屈服極限。此時的位移補(bǔ)償量為43mm第三章 結(jié)論說明3.1通過上面兩組數(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=773mm，d=698波紋管的補(bǔ)償量是45mm的時候它的應(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43mm的時候它的應(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

15、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:清華大學(xué)出版社,1993：99-103.3 李暉.高性+能計(jì)算機(jī)若干關(guān)鍵問題研究D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009：125-138.15 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院 工程軟件實(shí)踐應(yīng)用 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)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D1(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1 1.1波紋管的發(fā)展1 1.2波紋管非線性特性與有限元程序設(shè)計(jì)1 1.3波紋管的非線性特性1 1.3.1非線性有限元程序設(shè)計(jì)2 1.3.2波紋管有限元計(jì)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.