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1、设计与结构用ANSYS软件对U形波纹管的有限元分析TheFiniteElementAnalysistotheU-shapeBellowsbytheANSYSProgram南京化工大学陈晔李永生顾伯勤中船725所刘艳江段玫常谦Inthispaper,theFiniteElementAnalysismodeloftheU-shapebellowsispresentedandcalcu2latedbytheANSYSprogram.Thecomparisonbetweenthecalculationresultsandtheexperimentda2taind
2、icatesthattheFEAresultscansimulatetheload-stressresponseofthemonolayerbellows,anditisofgreatvalueforthestructureanalysisformultilayerbellows.关键词:波纹管非线性有限元分析波纹膨胀节被广泛应用于管路热补偿、隔振、限元计算能够有效地解决传统的解析法无法计算的降噪。自40年代以来,世界各工业国家的研究机波纹管弹塑性大变形范围内的载荷)应力响应问构和生产厂家对作为其主要组成部分的波纹管进行题。但由于以往有限元计算软件方面的
3、局限性,其了广泛的研究。分析结果距离能够真正运用到波纹管的强度、刚度在不同工况下对波纹管进行应力)应变的分析以及稳定性设计方面还有一定的差距。是评估其对各种工况承受能力的基础和重要组成部本文建立了波纹管非线性分析模型,并采用大分。70年代之前的结构分析主要采用解析法,根型有限商用软件ANSYS进行了计算,计算结果与据近似简单梁、近似圆柱体、近似壳体的假设,依试验数据进行了比较,得到了与波纹管设计计算有[1]据弹性理论得到波纹管壳体中的应力)应变值。关的载荷)应力响应关系,并就波纹管非线性有限但由于波纹管本身是一种较为复杂的轴对称薄壁壳元计算提出了看法。体
4、,且在绝大多数工况下材料处于弹塑性大变形范1单层波纹管有限元计算围内,因而在解析解与波纹管材料的实际响应之间存在着较大的误差。为使两者间达到近似的统一,采用了一个DN300的单层无加强波纹管为算学者们在解析法得到的近似解中引入了由图表形式例,其结构几何参数见表1。*给出的修正系数。这种方法目前正广泛应用于设计表1[2]以及生产部门,如EJMA规范中的应力计算式。外径内径壁厚层数波高波距有效长度波峰(谷)波数DdtnhwL半径rN70年代以后,随着计算机技术的飞速发展,mmmmmmmmmmmm(mm)有限元分析在结构分析中的地位日渐突出,许多商用有限元软件
5、应运而生。有限元分析以其在解决几3632951121344430810147何非线性、材料非线性和结构非线性问题方向的独*波纹管材料为0Cr18Ni9(304不锈钢),其屈服强度R012=503MPa,弹性模量E=1195@105MPa特优势而为愈来愈多的研究人员所接受。非线性有#34#第17卷第3期压力容器总第99期有限元计算时采用轴对称模型,模型及网格划以及大多数区域内导致较大的应力,且波谷处的应分如图1所示。力大于波峰处,因此位移对应力的影响远大于内压。但在环板中点处的情况有所不同,此处,由位移载荷导致的经向应力值比较小,其应力值的大小主要取决于内
6、压。(3)由内压和位移联合作用引起的波纹管壁面中的当量应力值可分别由相同的内压和位移载荷单独作用在波纹管壁面中产生的当量应国值叠加得到。(4)依据叠加性,结合图2~3,可发现当位移载荷不变时,若增加内压载荷,波谷图1有限元计算模型及网格划分示意图环壳除了波谷附近的应力值增加外其余区域的应力在波峰、波谷环壳以及环板中,沿经向各划分值会降低,而波峰环壳处则正好相反。特别在环板10个网格,沿厚度方向将网格划分为4层。与波峰及波谷环壳的结合区域,这种降低和增加趋计算及试验工况为以下三种:势比较明显。工况1:内压p=015MPa单波位移e=0mm由于有限元计算采用
7、的模型是一种理想化的情30况,因而在计算结果与试验数值间存在误差。由图工况2:内压p=015MPa单波位移e=-mm72、3可见,由非线性有限元计算得到的应力值与工况3:p=0MPa单波位移e=-30mm试验值之间的误差较小,尤其是在波谷环壳及环板7中两者比较接近。在波峰位置,有限元计算与实测由应力测定试验及非线性有限元计算所得到的值之间有较大的误差,特别是在位移载荷单独作用三种工况下的波纹管中间波半波外壁面上,由波谷时误差较大。究其原因,一方面是由于有限元模型至波峰沿经向和环向的应力分布如图2、3所示。的理想化假设,另一方面是由于本算例中有限元计算采用
8、的材料参数,包括屈服强度、杨氏模量均为波纹管环板中点处材料的实测参数,并未考虑成
