在對閥門用金屬波紋管有限元結構分析的基礎上, 比較了8 形和U 形金屬波紋管承載和變形補償能力。研究表明, 對幾何參數相同的8 形和U 形金屬波紋管, 8 形金屬波紋管承受內壓的能力大于U 形金屬波紋管, 而U 形金屬波紋管承受軸向力的能力則大于8 形金屬波紋管。在相等的軸向力作用下, 8 形金屬波紋管軸向補償量較大, 但在各自最大軸向載荷作用下, U 形金屬波紋管能達到的軸向補償量更大。
金屬波紋管具有位移補償、減振降噪和密封的作用, 目前已被廣泛應用于熱力管線、工藝管線、閥門和壓力容器等設備上[ 1] 。金屬波紋管的結構形式較多, 常用的有U 形和8 形金屬波紋管等。U 形金屬波紋管一般用于補償量較大的場合, 而8 形金屬波紋管則主要用于壓力較高的場合[ 2] 。對金屬波紋管應力應變的分析研究方法主要有解析法、工程近似法和數值分析法3 種, 其中工程近似法應用較為普遍[ 3] 。隨著計算機和計算數學的興起, 以有限元分析方法為代表的數值分析技術正被越來越多地應用到波紋管的設計分析中[ 4~ 7] 。但現有文獻報道的對象幾乎都以U 形金屬波紋管為主, 對8 形金屬波紋管的報道甚少。文中采用有限元分析方法對閥門用8 形金屬波紋管的力學性能進行分析, 研究8 形金屬波紋管在拉伸、壓縮、內壓及其組合條件下的應力、應變分布情況, 并對幾何結構參數相同的8 形和U 形金屬波紋管在相同工作狀態(tài)下的承載和變形補償能力進行比較, 分析兩者力學特性的差異。

2 結果分析及比較

2. 1 承載能力
2. 1. 1 內壓載荷
在進行內壓有限元分析計算時, 首先約束2 個模型兩端節(jié)點的軸向自由度, 然后在模型內壁面上加載2~ 4 MPa 的內壓, 使波紋管處于膨脹狀態(tài), 計算不同內壓下波紋管的應力值。內壓為4 MPa 下8 形和U 形金屬波紋管的Von Miss 等效應力分布云圖見圖3。由圖3 看出, 在只受內壓作用時, 8 形和U 形金屬波紋管所受最大等效應力均發(fā)生在筒體直邊段與倒圓角相連處。對其它波段來說, 最大等效應力發(fā)生在波谷內表面, 而最小等效應力則處于波峰位置附近

2 種金屬波紋管在不同壓力下所對應的最大等效應力見圖4。由圖4 可見, 在相同的內壓作用下,U 形金屬波紋管所受的最大等效應力略高于8 形金屬波紋管的。2 種金屬波紋管幾何結構均存在幾何不連續(xù)區(qū), 根據JB 4732 ) 1995 5鋼制壓力容器) ) ) 分析設計標準6[ 9] , 結構連續(xù)區(qū)與結構不連續(xù)區(qū)的強度條件并不相同, 2 種金屬波紋管承載能力的

定量分析見文獻[ 10] 。但由圖3 和圖4 可定性得出結論, 即在相同內壓作用下, U 形金屬波紋管所受的最大等效應力略高于8 形金屬波紋管的, 故8 形金屬波紋管承受內壓的能力稍大于U 形金屬波紋管

2. 1. 2 軸向載荷
以拉伸為例, 在進行軸向力有限元分析計算時,首先約束2 個模型最右端節(jié)點的所有自由度, 然后在最左端節(jié)點上加載20~ 100 kN 的軸向載荷, 使波紋管處于拉伸狀態(tài), 計算不同拉伸載荷下波紋管的應力值。軸向力為60 kN 時8 形和U 形金屬波紋管的Von Miss 等效應力分布見圖5。由圖5 可以看出, 在只受拉伸軸向力的情況下, 兩種波紋管的最大等效應力同樣發(fā)生在波谷的內表面, 但最小等效應力則發(fā)生在波節(jié)的中段。

2 種金屬波紋管在不同軸向力作用下所對應的最大等效應力見圖6?？梢钥闯?span style="margin: 0px; padding: 0px; font-family: Arial, SimSun;">, 在相同軸向力作用下, 8 形金屬波紋管所受的最大等效應力高于U形金屬波紋管; 而在相同的設計應力強度Sm 下, 8形金屬波紋管能承受的最大軸向力F 8max 低于U 形金屬波紋管能承受的最大軸向力FUmax 。由圖5 和圖6 同樣可定性得出, 在相同軸向載荷作用下,U 形金屬波紋管所受的最大等效應力低于8 形金屬波紋管, 因而U 形金屬波紋管承受軸向力的能力大于8形金屬波紋管。

2. 2 變形補償能力
60 kN 軸向力作用下2 種金屬波紋管的軸向位移分布云圖見圖7。由圖7 可以看出, 位移最大值和最小值分別發(fā)生在波紋管的左、右兩端, 文中以波紋管最左節(jié)點位移為軸向位移最大值。

2 種金屬波紋管在不同軸向力作用下所對應的最大位移值見圖8。由圖8 可見, 在相同軸向力作用下, U 形金屬波紋管軸向變形小于8 形金屬波紋管的, 但在各自所能承受的最大軸向力作用下, U形金屬波紋管最大軸向位移長度DUmax 大于8 形金屬波紋管的最大軸向位移長度D8max 。所以, 對幾何參數相同的2 種金屬波紋管, 在相等的軸向力作用下.8 形金屬波紋管軸向補償量較大。但在各自最大軸向載荷作用下, U 形金屬波紋管的軸向補償能力更大。

3 結論
 對幾何參數相同的8 形和U 形金屬波紋管,在內壓作用下, 8 形金屬波紋管承受內壓的能力大于U 形金屬波紋管。o 在軸向力作用下, 2 種金屬波紋管的最大等效應力均發(fā)生在波谷的內表面, 而U 形金屬波紋管承受軸向力的能力則大于8 形金屬波紋管。? 在相等的軸向力作用下, 8 形金屬波紋管軸向補償量較大。但在各自最大軸向載荷作用下, U 形金屬波紋管軸向補償能力更大。