航天用燃气阀波纹管组件刚度与疲劳寿命分析

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1、航天用燃气阀波纹管组件刚度与疲劳寿命分析周最2015年1月中图分类号：TK402UDC分类号：622航天发动机燃气阀波纹管组件刚度与疲劳寿命分析作者姓名周最学院名称机械与车辆学院指导教师廖日东教授答辩委员会主席魏春源教授申请学位工学硕士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月stiffnessanalysisandfatiguelifepredictionofmetalbellowsusedforaerospaceenginegasvalveCandidateName：ZuiZhouSchoolorDepartment：Schoolof

2、MechanicalEngineeringFacultyMentor：Prof.RidongLiaoChair，ThesisCommittee：Prof.ChunyuanWeiDegreeApplied：MasterofEngineeringMajor：PowerMachineEngineeringDegreeby：BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefense：Jan.2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不

3、包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要燃气阀波纹管组件是航天发动机的重要部件之一。波纹管燃气阀是航天发动机的重要部件之一，其工作时往往处于高压、高温的极端物理环境中，发生故障概率较大。而波纹管燃气阀的核心零件是金属波纹管，是一种轴对称管状壳体。因此针对波纹管的强度、稳定性校核和疲劳寿命估测具有重要工程实际意义。本文针对燃气阀波纹管组件的可靠性问题，建立了符合波纹管成型工艺的有限元模型，深

4、入研究了波纹管的轴向刚度、压力稳定性、疲劳寿命。本文主要内容如下：基于波纹管成型原理、工艺水平、壁厚减薄理论和有限元理论，建立了波纹管的壁厚指数减薄有限元模型。该模型考虑了波纹管由于加工工艺引起的壁厚减薄，并通过与波纹管国际标准减薄方法对比验证了模型的适用性与合理性。基于波纹管壁厚指数减薄模型，深入研究了波纹管的轴向刚度和内、外压力稳定性。在刚度分析的结果上确定了合适的壁厚减薄指数x，使波纹管组件轴向刚度误差控制在2%以内。并针对内、外压失稳问题，分别确定了适用的失稳判定方法。基于Miner线性累积疲劳损伤理论、单轴疲劳理论和多轴疲劳理论，深入研究了波纹管组件的疲劳寿

5、命。分别采用带有平均应力修正的Manson-Coffin公式和多轴疲劳模型预测了波纹管组件寿命。通过寿命结果对比分析了各疲劳模型对波纹管组件的适用性，并确定了适用于燃气阀波纹管组件的寿命预测模型。基于波纹管壁厚指数减薄模型，深入分析了波纹管结构参数（轴向参数、径向参数和壁厚参数）对波纹管在轴向位移载荷和压力载荷下应力分布的影响，为波纹管设计、使用提供参考。利用ANSYS软件以及APDL语言开发了波纹管参数化建模与分析程序。该程序能有效实现不同尺寸、层数、材料、成型工艺、工况下波纹管的分析研究。关键词：燃气阀波纹管；壁厚减薄；刚度；稳定性；疲劳寿命IAbstractGa

6、svalvebellowsisoneofthemostessentialpartsofaerospaceenginecomponents.Asoneofthemostimportantcomponent,gasvalveisofhighfailureprobabilityduetoitsextremeworkconditionofhighpressureandhightemperature.Themetalbellows,whichisanaxisymmetriccylindricalshell,isthecorepartofgasvalve.Thus,studies

7、onstrengthcalculation,stabilitycheckandfatiguelifepredictionofmetalbellowsareofveryhighpracticalsignificance.Inthisthesis,focusingonthereliabilityproblemsofgasvalvebellows,afiniteelementmodelisestablishedinaccordancewiththebellows’formingprocess,andtheaxialstiffness,thepressure