基于有限元的金属波纹管柱失稳分析和试验研究.pdf

2 01 2 焦 第 3期 管 技 木 P i p e l i n e Te c h n i q u e 5 般 各 a n d Eq u i p me n t 2 01 2 No 3 基于有 限元的金属波纹管柱失稳分析和试验研究 宋林红，江更祥，冷述民。，黄乃宁 ，关长江，张秀华，刘继文，张文良 ，李敏(1 沈阳仪表科学研究院机械工业金属弹性元件工程技术研究中心，辽宁沈阳1 1 0 0 4 3；2 国防科工局协作配套中心，北京1 0 0 0 8 1；3 中国石油管道沈阳输油气分公司，辽宁沈阳l 1 o 0 3 1)摘要：金属波纹管的稳定性在宇航、航 空、精 密仪表 以及 大型工程结构等领域属 于关键技术指标，而且是研 究难点。为 了解决这类问题，文 中应 用 MS C Ma r c 软 件，针对典型的 u型波纹管进行柱失稳 研究，研究其极限失稳压力以及变形规律等。通过试验验证，有限元法的分析精度优于_T-程方法。将 有限元法、工程设计和试验结合应用，共同进行金属 波纹 管柱失稳研 究，能够显著提 高设计精度，加快 研制进程，减少研制成本，进 而提 高产品的综合性能与市场竞争力。关键词：金属波纹管；有限元法；柱失稳；非线性；试验 中图分类号：T H 7 0 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 4 9 6 1 4(2 0 1 2)0 3 0 0 3 1 0 4 Co l u mn S q u i r m An a l y s i s a n d Te s t Re s e a r c h Ba s e d o n Fi ni t e El e m e n t o f M e t a l Be l l o ws S O N G L i n h o n g ，J I A N G G e n g x i a n g ，L E N G S h u ra i n ，H U A N G N a i n i n g ，G U A N C h a n g-j i a n g ，Z HANG Xi u h u a L I U j i we n ，Z HANG We n l i a n g ，L I Mi n (1 E n g i n e e r i n g R e s e a r c h Ce n t e r f o r Me t a l E l a s ti c E l e me n t o f Ma c h i n e r y I n d u s t r y，S h e n y a n g A c a d e my of I n s t r u me n t a tio n S c i e n c e s，S h e n y a n g 1 1 0 0 4 3，Ch i n a；2 Co o p e r a t i o n Ce n t e r o f I n d u s t r i a l Bu r e a u fo r N a ti o n a l De f e nse S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，B e ij i n g 1 0 0 0 8 1，C hin a；3 P e t r o C h i n a P i p e l i n e S h e n y an g Oi l a n d Ga s T r a n s p o r tat i o n S u b-c o mp a n y，S h e n y a n g 1 1 0 0 3 1，C hin a)Ab s t r a c t：T h e s q u i r m o f t h e me t a l b e l l o w s i n t h e fi e l d o f a e r o s p a c e，a v i a t i o n，p r e c i s i o n i n s t r u me n t a t i o n，a s w e l l a s l a r g e s c a l e e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s a r e t h e k e y t e c h n i c a l i n d i c a t o r s，a n d r e s e a r c h d i ffi c u l t y To s o l v e t h i s p r o b l e m，t h i s p a p e r a p p l y i n g MS C Ma r c s o f t w a r e t o r e s e a r c h t h e c o l u mn s q u i rm o f t h e t y p i c a l U s h a p e d b e l l o ws，s t u d y t h e l i mi t s q u i r m p r e s s u r e a n d d e f o r ma t i o n l a w s，e t c Ve r i fi e d b y t e s t，the a n a l y s i s a c c u r a c y of fi n i t e e l e me n t me t h o d i s b e t t e r t h a n the e n g i n e e ri n g me t h o d Co mb i n e t h e fi n i t e c l e me n t me t h o d a n d e n g i n e e rin g d e s i g n wi t h t e s t o f印 p l i e a t i o n s，t o c o l u mn s q u i rm r e s e a r c h t h e b e l l o w s，i t c a l l s i g n i fi c a n t l y t o me n t i o n i mp r o v e t h e d e s i g n a c c u r a c y，a c c e l e r a t e r e s e a r c h p r o c e s s，r e d u c e r e s e a r c h c o s t s，a n d t h e r e b y i mp r o v e t h e o v e r a l l p e r f o rm-a n c e and ma ne t c o mp e t i t i v e n e s s o f t h e p r o d u c t s K e y wo r d s：me t a l b e l l o ws；fi n i t e e l e me n t me t h o d；c o l u mn s q u i rm；n o n l i n e ar；tes t 0 引言 金属波纹管类是一类常用的弹性元件，主要包括 金属波纹管、电沉积波纹管、焊接波纹管、波纹管换热 器、膜片膜盒、金属软管等。波纹管类组件是利用材 料的弹性来实现所要求的功能。它们在外界载荷(集 中力、压力、力矩等)作 用下改变元件 的形状 和尺寸，当载荷卸除后又恢复到原来 的状态。根据这种特性，它们可以实现测量、连接、转换、补偿、隔离、密封、减 震等功能，是基础零件之一，在航空航天、船舶、汽车、石化、电力、核能等工业领域广泛应用。波纹管的失稳是用来 判定其耐压能力 的判据之 收稿 日期：2 0 1 2一 o 4 0 5 收修 改稿 日期：2 0 1 2 0 41 0 一，波纹管的失稳主要包含柱失稳和平面失稳(文 中 主要研究波纹管的柱失稳形态)。柱失稳是指波纹管 轴线突然 出现总体弯 曲现象。波 纹管的柱失稳 压力 通常用 P 表示，P 值越大，波纹管的承压能力就越 强，但会降低 其柔性。失稳 后的波纹管会改变原 状，损坏其性能并降低承压能力和疲劳寿命，因此在设计 中需了解 波纹 管 的最 大承 压能力 并提高设 计水平。图 l为波纹管在内压作用下的一般柱失稳形态。1 柱失稳的一般计算方法 文中研究的 u型波纹管是一种圆柱形的薄壁零 件，对这类零件进行设计计算，概括起来有 3类常用 的 方法：解析法，主要是级数解、渐进解等理论解析方 法；工程方法，主要是工程设计公式，如美 国膨胀节制 3 2 Pi p e l i n e Te c hn i q u e a n d Eq u i p me n t Ma v 2 01 2 图 1 波纹管在 内压作 用下的柱 失稳 造商协会标准(E J MA)等；数值法，主要是有 限元法、差分法，如 M S C M a r c、A N S Y S、A B A Q U S等。式(1)、式(2)为 E J M A标准中柱失稳的计算公式：03 4,t厂r C L b Db I CP s c L b J b；(1)；l V g ：一 三一 CP sc J i-)b G z(2)一【卜 一J L 式中：p 为波纹管失稳压力 为波纹管轴向刚度；C 为基于初始角位移的柱状失稳压力削弱系数；N为波 数；g 为波距；A 为单个波的金属截面积；D 为波纹管 内径；Is 为 材料 屈 服 强 度；C 为转 换 点 系数，C =；L 为 有 效 波 纹 长 度。在工程设计中，对于轴向屈曲，一般按整体抗弯 刚度相等的原则将波纹管等效成 E u l e r 柱进行计算，环向屈 曲则采用 曲梁模 型(一段带刚度 的子午线)，其理论基础是板壳理论、材料力学、计算数学等；计算 时，材料常采用线弹性本构特征；对壁厚减薄、冷作加 工硬化等影响因素只进行简单修正。工程设计方法 较难满足航空航天等特殊使用条件对金属波纹管高 精度的设计要求，需要寻找一种更为先进的设计方 法，以满足这类特殊场合的应用。2 有限元分析法 金属波纹管的柱失稳研究属于弹塑性范畴，要精 确地解决这 类问题，必须考虑 到材料非线性、几何非 线性和边界非线性等影响，应用有限元分析法可以很 好地解决这类弹塑性 问题。在有限元分析中，屈 曲类型主要有 以下几种：板、壳、梁等结构的屈曲 后屈曲；蠕变屈曲；由材料局部 承载力下降引起的局部失稳；金 属塑性加工过程 中工 件的起皱等。波纹管柱失稳分析主要是第一种屈曲。用 MS C Ma r c 软件处理该类稳定性问题的方法 大致有 两种：一种是按特征值问题来求解失稳形态；另一种 是通过追踪失稳路径，获取失稳 前后 结构变化、应 力 和载荷分布情况，以此来判断失稳现象 的分析方法。物体变形的基本标志是物体质点间的距离发生 了变化，物体刚性运动不产生变形，因而可用质点间 的距离变化来描述。为 了准确地对 波纹管加载 内压 的过程进行仿真分析，除 了需要模拟波纹管 的内径、外径、波距、壁厚、波数、材料等参数外，还需要对波纹 管加工过程的一些影响因素进行修正，需要研究 接触 体的接触关系、摩擦系数，载荷加载形式、力 一 运动曲 线、边界条件等方面的问题。图 2是波纹管柱失稳 分 析过程的一般流程图。图2 波纹管柱失稳分析流程图 3 算例分析 3 1 分析对象 文中先以 5(外径)5 1(内径)规格 波纹 管为分析对象进行仿真分析，单层壁厚0 1 7 m m，层数 为2，波 数1 2 个，总 长4 7 2 m m，材 料 为 0 2 2 C r 1 7 N i 1 2 Mo 2，图 3为 3 5 啦 5 I 金属波纹管。图3 够 5 x 2 5 1金属波纹管 3 2 建立有限元模型 金属波纹管是一个轴对称单元的零件，但是从所 研究问题的本身 出发，柱失 稳是一个 非对称 的问题，3 4 Pi p e l i n e Te c hn i q u e a n d Eq u i p me n t Ma v 2 01 2 限元方法，同时进行试验验证。表 1是这 5种规格金 属波纹管工程计算方法、有 限元法与试验结果 的对 比 表。表 1 金属波纹管工程方法、有限元法与试验验证对比表 对上述5 种规格的波纹管的计算误差进行统计和 分析，有限元法 的平均计算误差 为 1 4 3 ，低于工程 计算方法 的平均计算误差3 8 5)，有限元法优 于工 程计算方法。同时，有限元法可以准确分析波纹管在 加压过程中的应力和应变分布规律，可以准确预测波 纹管变形情况，为结构优化提供重要的技术参数。4结束语 采用有限元软件对波纹管进行结构强度分析，可 以研究出波纹管在复杂工况下的失稳压力、应力分布 规律、层 间接触 以及变形情况 等，对后继 的优化设计 提供数 据积 累。利 用成熟 的有 限元 软件，将有 限元 法、工程设计 和试验结合应用，共 同进行金属波纹 管 柱失稳研究，能够显著提高设计精度，加快研 制进程，减少研制成本，进而提高产品的综合性能与市场竞争 力。参考 文献：1 徐开先 波纹管类组件的制造及其应用 北京：机械工业 出版社，1 9 9 8 2 黄乃宁，宋林红，魏国俭，等 阀门用金属波纹管疲劳寿命 的有限元分析 阀门，2 0 0 8(5)：3 03 4 3 张庆，王华坤，王心丰 U型波纹管稳定性非线性有限元 分析 南京理工大学学报，2 0 0 2(3)：2 7 0 2 7 3 4 张兵，王心丰 用非线性有限元分析波纹管的稳定性 压 力容器，2 0 0 1(1)：4 0 4 4 5 陈哗，李永生，顾伯勤，等 用 A N S Y S软件对 U形波纹管 的有限元分析 压力 容器，2 0 0 5(3)：3 43 6 6 陈火红 新编 Ma r c有限元实例分析教程 北京：机械工业 出版社，2 0 0 7 7 S t a n d a r d s o f t h e E x p a n s i o n J o i n t Ma n u f a c t u r e r s A s s o c i a t i o n I NC 9 t h 2 0 0 8 8 罗伯特 D库克 有限元分析的概念与应用 西安：西安交 通大学 出版社，2 0 0 7 9 徐秉业，刘信声 应用弹塑性力学 北京：清华大学出版 社，1 9 9 5 作者简介：宋林红(1 9 7 8 一)，工程师，现主要从事波纹管类产品 的 C A E分析工作。(上接 第2 4页)计算是通过把一组画面累积至一个 内 部 的缓冲区，然后把每个像元的总量除 以获取的画面 个数而得。图 8为增益校准图像。图 8 增益校准 图像 5 结束语 2 0 1 1年 6月，管道科学研究 院研制 的“管道环焊 缝数字射线检测设备”在西气东输二线上海支线施工 现场进行了中试，对管 内爬行器定位、面阵图像采集、图像处理等方面进行了全面测试。经测试，专家组认 为设备采用 x射线面阵成像技术进行管道环焊缝质 量检测，能够对检测结果实 时显示 和电子存储，实 现 了射线图像的动态扫查，对随机 噪声等降低 图像 质量 因素进行了有效 的抑制，为管道环焊缝数字射线 检测 系统在长输管道 中的应 用提供 了技术保 障。随着数 字化管道的建设，未来 的管道环焊缝射线检测将向数 字 x射线检测方向发展，该技术在长输 管道建设 中具 有良好 的应用前景。参考文献：1 艾维平 D X R 2 5 0 R T平板探测器 x射线实时成像检测系 统的研究：学位论文 兰州：兰州理工大学，2 0 0 7 2 马跃洲，艾维平，张昌青 平板探测器 x射线数字成像质 量 兰州理工大学学报，2 0 0 7，3 3(2)：2 0 2 4 3 张静 实时焊缝图像有效信息获取及管理技术研究：学 位论文 太原：中北大学，2 0 0 7 4 周正干，滕升华，江巍，等 x射线平板探测器数字成像及 图像校准 北京航空航天大学学报，2 0 0 4，3 0(8)：6 9 9 7 01 作者简介：薛岩(1 9 8 2 一)，工程师，主要研究方向为长输管道无 损检测技术。