疲劳寿命,一种波纹管新的设计方法

《疲劳寿命,一种波纹管新的设计方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、波纹管的疲劳，一种新的设计方法C.贝希特教堂街22号贝希特工程有限责任公司，通信邮箱300号，美国新泽西州自由角07938摘要：膨胀节的疲劳通常是金属波纹管膨胀节设计的一个重要方面。波纹管的组件会承受位移载荷，而载荷的产生常常是由于循环张力远远超出了材料的比例极限造成的。在高张力水平下，会发生塑性应变集中。目前的设计实践都是根据波纹管测试的经验疲劳曲线进行的。而基于综合分析和抛光条疲劳数据的疲劳行为预测被认为是不可靠的。不可靠的其中一个原因是因为塑性应变集中。据显示，波纹管和抛光条疲劳行为之间的差异，同样，增强波纹管和非增强波纹管之间的差异，可以很大程度上归因于应变集

2、中。其次，据显示：波纹管的疲劳寿命可以通过对几何参数波纹管疲劳数据进行分区来更好地预测。关键词：疲劳；波纹管；膨胀节1.波纹管的背景波纹管是由一系列环形壳组成的回转壳，通常与环形板连接，这些环形板叫做侧壁。波纹管的形状和使用参数如图1所示。没有侧壁的波纹管是特例，叫做半环形波纹管。波纹管是用来在壳结构中，如管道和热交换器壳中提供附加的挠性。它们必须承受由内压产生的应力，同时还要提供伸缩性，且具有补偿偏差的能力。这些偏差一般是以轴向或弯曲偏差的形式出现，在某些情况下是末端横向位移形式出现。虽然波纹管常常比与它们相连的圆筒壳要薄的多，但是却能提供足够的金属面积以抵抗周向压

3、应力，通过在波纹管壁合拢成卷积形状但不能提供足够金属壁面积的地方，增添加强环，以提供额外的抗爆炸失效性能。因为许多原因，在参考文献中有更加详细的讨论，包括塑性应力集中。这个已经投入于工业中的方法是采用根据波纹管测试得到的经验疲劳曲线来设计波纹管的。而采用抛光条疲劳曲线则需要对塑性应变集中的影响进行评估。实际波纹管疲劳测试数据均包括一般应变集中和其他影响。波纹管的疲劳测试材料特殊且昂贵。当前工作的目的是为了对波纹管中塑性应变集中的影响有一个更好地了解，这可以在设计波纹管时减少或者消除当前实际波纹管疲劳测试时的要求。如果没有其他因素，理解的提高可以使在不做波纹管疲劳测试时

4、，类比材料的疲劳曲线赋值将变得精确的多。图1.增强型波纹管几何形状（EJMA，1998）1.波纹管对偏转载荷的反应波纹管的偏转可以想象成波纹管的顶部相对于根部的轴向位移。于是就产生了弯曲分布，而在根部和顶部的弯曲应力最大。最大弯曲应力在波纹管卷积的最外面和最里面部分，具有较浅的卷积（较高的QW）和/或较厚的壁和/或相对于直径较小的倾斜（较低QDT）。例如，见图2。否则，最高弯曲应力的位置会转移到位于环形和侧壁之间的交叉点。例如，见图3。在后面这种情况下，环形中来源于周向应力的恢复力矩会补偿经向弯矩。周向应力分布见图3。工业中波纹管中的压力计算采用膨胀节制造协会标准中提

5、供的公式，最先是由Anderson和Winborne发明，Broyles描述，现如今在国际标准中广泛被采用。这些公式是根据平衡考虑(薄膜应力)和参数的无量纲壳分析（弯曲应力和刚度）得来的。无量纲的弯曲应力和刚度决定于两个参数：q/2w（命为QW）和q/[2.2(Dmtp)1/2]（命为QDT），q是波距，w是卷积高度，tp是波纹管厚度，该厚度包括了由于成形减薄所做的近似调整，Dm是波纹管的中径。这些是Anderson对波纹管环形部分进行无量纲壳分析时采用的参数。图2.由于位移产生的表面应力（QW=0.5，QDT=0.4）定义：Dm=Db+w+t卷积中径Db波纹管内径Q

6、W=q/2wQDT=q/[2.2(Dmtp)1/2]q波距t单层名义厚度tp=t(D/Dm)1/2成形减薄后单层材料厚度w卷积深度塑性使波纹管的反应复杂化，即使是在偏转载荷下。Tanaka，继Hamada和Tanaka之后，发现应变集中是发生在轴向位移载荷之下屈服之后高应力区域。塑性应变集中是由于位移的弹性塑性应变的比率，从弹塑性分析到弹性张力，都是依靠弹性分析。它可能对疲劳设计有很大的影响，因为疲劳寿命的预测通常是基于弹性压力的计算。对于塑性应变集中影响的认识，Hamada和Tanaka的工作非常重要。然而，据Becht表示，他们的工作并没有提供对这种现象的正确理解

7、。Becht发现在非增强波纹管中的应变集中高度取决于参数QW，该参数描述了卷积的形状特征。参数QW和QDT对塑性应变集中的影响如图4所示。图4是基于非增强波纹管的参数无弹性分析。如图4所示，当QW的值大于大约0.45是，应变集中并不是很重要。当QW的值不到0.45时，应变集中会很重要，这明显取决于QW和QDT。1.无弹性分析方法图3.由于位移产生的表面应力（QW=0.2，QDT=1.2）很多增强和非增强强波纹管采用弹塑性大位移有限元分析以评估由于位移载荷引起的张力变化。Becht以前报道过对非增强型波纹管的估值。该模型使用一个单一的一个半卷积元素宽楔