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预应力金属波纹管的应力分析现状

时间:2018-08-20   来源:预应力金属波纹管应力   作者:预应力金属波纹管   点击:

  预应力金属波纹管的应力应变分析研究方法主要有三种:解析分析方法;工程近似方法和数值分析方法在二十世纪七十年代之前,预应力金属波纹管结构分析主要采用解析法,其主要思想是:

  根据近似简单梁、近似圆柱体、近似壳体的假设,依据材料力学和弹性理论得到预应力金属波纹管壳体中的应力——应变值。但由于预应力金属波纹管本身是一种较为复杂的轴对称薄壁壳体,且在绝大多数工况下材料处于塑性大变形范围内,因而在解析解与预应力金属波纹管材料的实际响应之间存在着较大的误差。

预应力金属波纹管的应力分析现状

  为了适应工程设计需要,人们引入了工程近似方法,该方法虽有一定误差,但在工程设计或大系统研究中是有效的。该方法的主要思想是在解析法得到的近似解中引出了图表形式的修正系数,经过这样的近似就可得出简单的设计计算公式,并在工程设计中应用。

  传统的计算公式有:前苏联维赫曼公式、Kellogg公式、日本东阳(TOM公司公式、西德AD规范公式、美国膨胀节制造者协会(EJMA)标准公式,在我国较有影响的是美国EJMA公式。美国膨胀节制造商协会(EJMA)是在1955年由一批使用、设计和制造膨胀节方面富有经验的公司发起成立的,1958年首次发布了膨胀节标准。该标准第一版较为简单,只涉及到轴向位移的工况,以后随着研究成果及试验结果的增多,并将其逐步纳入到标准内容之中,使标准增加了设计数据,扩展了使用范围。

  美国的EJMA标准较其它标准有明显的优点,它对预应力金属波纹管的应力分析全面,假设条件较合理,加上计算式对实际的影响因素作了必要的修正,故计算结果与实验数据较为接近,有一定准确性。该标准不仅对工程设计必须考虑的问题(如强度、稳定性、刚度、疲劳寿命等)规定了相应的计算式,而且对各种尺寸的预应力金属波纹管(单层或多层、带加强或不带加强元件)均可适用,能较好地满足使用需要。它作为膨胀节制造商协会的专用标准,在世界上有相当的影响。我国压力容器和管道用膨胀节的国家标准(如GB/T12777-1999《预应力金属波纹管膨胀节通用技术条件》)是参照该标准制定的。

  分析预应力金属波纹管力学特性的数值分析方法是随着计算机和计算数学的发展而产生,主要包括有限差分法和有限元法等。有限元法较之解析法可不受预应力金属波纹管波形的限制,较之差分法可避免计算的不稳定性,较之实验法可节约大盆实验费用,因此在预应力金属波纹管的数值分析中得到广泛的应用。

  对预应力金属波纹管进行有限元分析能够有效解决预应力金属波纹管弹塑性大变形范围内的载荷应力响应问题,主要思想是将膨胀节本体进行离散化,分成若干个单元,通过能量原理建立起以结点位移为基本未知量的代数方程组,通过求解结点位移,进而求出应变和应力。它的特点是可以借助计算机,一次计算出多种工况下的预应力金属波纹管的位移和应力分布,便于设计者进行应力分析,是对预应力金属波纹管进行应力或总体分析的有效方法。

  在预应力金属波纹管的静动力特性方面,朱益民等采用三结点曲边单元,位移及转角在总体坐标下独立插值的方法研究了预应力金属波纹管在小应变、小位移假设下的轴对称振动时的自振频率,发现固有频率的有限元结果比EJMA公式所得的要大,但比较接近;黄克智等基于小应变、有限位移的假设,用有限元法对中等转动预应力金属波纹管的轴对称几何非线性特性作了分析;任文敏等所取单元采用三结点曲边单元,将问题进一步扩展到非轴对称几何非线性上来。

  王平等应用几何非线性原理,采用四节点空间壳体单元对预应力金属波纹管在各种受载情况下的强度进行了分析,可以解决其强度设计、振动特性及屈曲问题,同时为预应力金属波纹管的分析提供了很好的借鉴。

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