波纹管ANSYS有限元

1、沈阳化工大学科亚学院 工程软件应用实践第1章 综述1.1波纹管的发展 波纹管膨胀节是压力容器和管道系统中常用的连接和补偿装置, 其主体是金属波纹管。它的特点是轴向刚度较小, 径向刚度较大, 故能够承受较大的轴向位移,同时还能够承受一定的内、外压, 常用于补偿管道因温度变化、机械位移或振动引起的轴向、横向和角向位移。运行中的波纹管的波峰波谷部位实际处于弹塑性区域, 但是, 目前波纹管常用的设计标准是将波纹管视为梁或曲杆, 通过梁理论进行弹性的应力应变分析, 这势必会带来较大的误差。随着数值分析技术和有限元技术的不断发展, 利用非线性有限元技术对波纹管进行较为精确的应力应变分析已成为波纹管研究领域

2、的一项重要课题。本文吸取了前人在有限元程序设计上的经验, 根据波纹管自身的非线性特性, 利用 Fortran Pow erSta-tion 410 与 Visual C+ 610 混合语言编程技术, 开发出一套界面友好, 使用方便, 求解精度较高的波纹管有限元应力应变分析专用软件系统。1.2波纹管非线性特性与有限元程序设计固体力学问题, 从本质上讲都是非线形的, 线性假设只是实际问题的一种简化。线性分析的基本假设包含三点: 结点位移为无限小量, 材料为线弹性, 加载时边界条件的性质保持不变。如果上述假设中的任一条不能满足, 则属于非线性问题。常见的是不满足前两种假设的非线性行为, 分别称为几何

3、非线性和材料非线性。1.3波纹管的非线性特性 工作状态下的波纹管伸缩变形是一种复杂的非线性变形。在小载荷情况下, 波纹管的应力应变关系呈线性特征, 而当其承受较大的位移补偿时, 结构处于高应力水平, 波峰和波谷的局部处于塑性区, 此时, 一般采用弹性线性强化模型分析波纹管的应力应变关系。另外, 波纹管的单波位移量一般大于壁厚, 属于大位移行为, 同时, 大量的研究表明, 此时的波纹管大部分区域依然处于小应变范围。因此, 运行状况下的波纹管还表现出大位移、小应变的几何非线性特征。1.3.1非线性有限元程序设计 本软件系统所用的求解程序是一个通用的二维非线性有限元程序, 图 1 是该程序的流程图,

4、 其主体部分借鉴了文献132中提出的有限元程序设计方法。 图1.1 二维非线性有限元程序流程1.3.2波纹管有限元计算模型 根据波纹管的几何特征和载荷特征, 系统采用二维轴对称模型进行求解, 单元类型为 8 结点抛物线等参单元, 并开发出相应的前处理程序。以 U 型波纹管为例, 通过输入波纹管的基本波形参数、材料参数和运行状况参数, 便可建立如图 2 所示的计算模型, 自动进行网格划分, 边界约束和等效结点力加载。 图1.2 波纹管二维轴对称有限元计算模型 波纹膨胀节被广泛应用于管路热补偿、隔振、降噪。自 40 年代以来, 世界各工业国家的研究机构和生产厂家对作为其主要组成部分的波纹管进行了广

5、泛的研究。 在不同工况下对波纹管进行应力) 应变的分析是评估其对各种工况承受能力的基础和重要组成部分。70 年代之前的结构分析主要采用解析法, 根据近似简单梁、近似圆柱体、近似壳体的假设, 依据弹性理论得到波纹管壳体中的应力 ) 应变值 1 。但由于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弹塑性大变形范围内, 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,学者们在解析法得到的近似解中引入了由图表形式给出的修正系数。这种方法目前正广泛应用于设计以及生产部门, 如 EJMA 规范中的应力计算式 2 。 70 年代以后, 随着计算机技

6、术的飞速发展,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应运而生。有限元分析以其在解决几何非线性、材料非线性和结构非线性问题方向的独特优势而为愈来愈多的研究人员所接受。非线性有限元计算能够有效地解决传统的解析法无法计算的波纹管弹塑性大变形范围内的载荷) 应力响应问题。但由于以往有限元计算软件方面的局限性, 其分析结果距离能够真正运用到波纹管的强度、刚度以及稳定性设计方面还有一定的差距。本文建立了波纹管非线性分析模型, 并采用大型有限商用软件ANSYS 进行了计算, 计算结果与试验数据进行了比较, 得到了与波纹管设计计算有关的载荷) 应力响应关系, 并就波纹管非线性有限元计算进行

7、研究。第二章 建模过程及求解2.1波纹管结构示意图 图2.1 参数含义2.2第一组数据参数外径D1(mm)内径D2(mm)壁厚S(mm)波距T(mm)波高B(mm)波纹管长度L(mm)波峰半径R1(mm)波谷半径R2(mm)层数(m)波数(m)数值7736981907544023721314表2-12.2.1具体坐标1（0.0.0） 2（61.3.0.0） 3（61.3.70.0） 4（108.7.70.0） 5（108.7.0.0）6（151.3.0.0） 7（151.3.70.0） 8（198.7.70.0） 9（198.7.0.0） 10（241.3.0.0）11（241.3.0.0）

8、12（288.7.70.0） 13（288.7.0.0） 14（331.3.0.0） 15（331.3.70.0）16（378.7.70.0） 17（378.7.0.0） 18（440.0.0） 19（0.-349.0） 20（440.-349.0）2.2.2建立坐标关键点 ANSYS Main Menu: 选择Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS填写对应坐标 图2.2 坐标点图2.2.3生成特征点并且连接、倒圆角、布尔操作 选择 Preprocessor|Modeling|Create|Lines|Straight Line

9、弹出Create StraightLine框，连接各点。如下图所示 选择Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 图2.3 坐标点连线2.2.4生成壳体选择Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 图2.4 螺线管壳体2.2.5划分网格 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines 图2.5 网格划分2.2.6分析计算 选择Solution|Solve|Current LS得出结果2.2.7偏

10、移量 图2.6 偏移图 2.2.8分析计算 图2.7 应力云图 这个是应力云图，从图2.7中可以看出当最大位移是45mm的时候最大应应力是491mpa，最小应力是3.3281mpa.最大应力接近屈服极限480mpa,因此可以认为波纹管最大补偿是45mm 图2.8 位移云图 这个是位移图2.8，当位移是45mm的时候达到304材料的最大屈服极限。2.3第二组数据参数外径D1(mm)内径D2(mm)壁厚S(mm)波距T(mm)波高B(mm)波纹管长度L(mm)波峰半径R1(mm)波谷半径R2(mm)层数(m)波数（m）数值7236481907544023721314表2-22.3.1具体坐标1（0

11、.0.0） 2（61.3.0.0） 3（61.3.70.0） 4（108.7.70.0） 5（108.7.0.0）6（151.3.0.0） 7（151.3.70.0） 8（198.7.70.0） 9（198.7.0.0） 10（241.3.0.0）11（241.3.0.0） 12（288.7.70.0） 13（288.7.0.0） 14（331.3.0.0） 15（331.3.70.0）16（378.7.70.0） 17（378.7.0.0） 18（440.0.0） 19（0.-324.0） 20（440.-324.0）2.3.2定义材料参数 因为我们选的材料是304,上网查的304钢所对应的

12、弹性模量是1.9e11pa，泊松比是0.3052.3.3建立坐标关键点 ANSYS Main Menu: 选择Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS填写对应坐标 图2.9 坐标点图2.3.4生成特征点并且连接、倒圆角、布尔操作 选择Preprocessor|Modeling|Create|Lines|Straight Line 弹出Create Straight Line框，连接各点。如下图所示 选择Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 图2.10 坐标连线2.3.5生成

13、壳体 选择Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines 图2.11 螺纹管壳体2.3.6划分网格 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines 图2.12 网格划分2.2.7分析计算 选择Solution|Solve|Current LS得出结果2.3.8偏移量 图2.13 偏移图2.3.9应力及波纹处受力分析 图2.14 应力云图 这个是应力云图，从图2.14中可以看出当最大位移是43mm的时候最大应应力是436.04mpa，最小应力是9.1958m

14、pa.最大应力接近屈服极限480mpa,因此可以认为波纹管最大补偿是43mm图2.15 位移云图 这个是位移云图2.15 ，当位移是43mm的时候达到 304材料的最大屈服极限。此时的位移补偿量为43mm第三章 结论说明3.1通过上面两组数据的对比分析，得出以下结论 （1）内径对波纹管的补偿量是很大的， 第一组数据内外径D=773mm，d=698波纹管的补偿量是45mm的时候它的应力接近最大屈服极限480mpa;第二组数据内外径D=723mm，d=648波纹管的补偿量是43mm的时候它的应力接近最大屈服极限480mpa. 内外径相差50mm，波纹管的补偿量就相差2mm,由此可以看出内外径对波纹

15、管的影响是不可忽略的 （2）波纹管通常要求有尽可能大的补偿量，因此波纹管在满足承压的前提下，尽可能减小内径，以获得较高的柔性。 参考文献1 叶青.微机原理与接口技术.清华大学出版社，2011:9-1.2 薛华成.管理信息系统M.北京:清华大学出版社,1993：99-103.3 李晖.高性+能计算机若干关键问题研究D.中国科学技术大学,2009：125-138.15 沈阳化工大学科亚学院 工程软件实践应用 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学生姓名： 指导教师： 工程软件应用实践任务书机械制造及其自动化专业班学生： 论文题目：内外径对U形波纹管膨胀节补偿能力的影响具体参数：参数1参数2外径D1(mm) 773723内径D2(mm)698648壁厚(mm)11波距T(mm)9090波高B(mm)7070波纹管长度L(mm)440440波峰半径R1(mm)23.723.7波谷半径R2(mm)21.321.3层数m11波数n44材料304304指导教师： 201年 月 日 目录第一章 综述1 1.1波纹管的发展1 1.2波纹管非线性特性与有限元程序设计1 1.3波纹管的非线性特性1 1.3.1非线性有限元程序设计2 1.3.2波纹管有限元计算模型2第二章 建模过程及求解42.1波纹管结构示意图42.2第一组数据42.2.1具体坐标42.2.