波纹管疲劳寿命可靠性分析.pdf

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1、检测与仪表化工自动化及仪表，2010，37(7)：56-58ControlandInstrumentsinChemicalIndustry波纹管疲劳寿命可靠性分析曹文晖，於孝春(南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009)摘要：波纹管是典型的低周疲劳部件，用局部应力应变法预测其疲劳萌生寿命可行且精确，考虑到影响疲劳寿命的诸多因素的随机性，将应变寿命曲线表示为概率曲线，并考虑累积损伤的随机性，通过建立近似拟合多项式方法求得各设计寿命下的波纹管的可靠度曲线，该方法是简单有效的渡纹管疲劳寿命可靠度计算方法。关键词：波纹

2、管；局部应力应变法；疲劳寿命；可靠性中图分类号：TQ051文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)0743056-031引言波形膨胀节是现代受热管网和设备进行热补偿的关键部件，除了位移补偿的作用外，还同时兼有减震降噪和密封的功能。近年来在石油、化工、冶金、电力、水泥、建筑、城市区域供热等行业中得到了广泛的应用⋯。由于波纹管是极薄壁的构件，而且要承受较大的位移变形以及一定的压力，因此它的可靠性受到极大的重视和关注，研究波纹管可靠性主要以刚度、强度、稳定性和疲劳等方面考虑。压力容器破坏事故中有40％一50％是

3、由疲劳引起的，而波纹管在运行中要承受循环载荷作用，它的局部区域的应力波动常处在塑性应力范围，很容易在较低的循环次数下产生疲劳失效。疲劳本身是一种渐进的失效现象，但是因为波纹管壁厚极薄，从产生疲劳裂纹到裂纹扩展十分短暂，所带来的危害也是巨大的。波纹管属于典型的低周疲劳部件，在低周疲劳分析中常用的方法有名义应力法以及局部应力应变法，名义应力法误差较大且算得的结果是构件的疲劳总寿命，而判断低周疲劳部件疲劳失效的准则是疲劳裂纹萌生寿命，目前对裂纹萌生寿命分析一般采用局部应力应变法，其基本思想是构件的整体疲劳性能取决于最危险区域

4、的应力应变状态，即疲劳裂纹萌生点的应力应变状态。王志平悼1指出用局部应力应变法对波纹管这种薄壁构件的低循环疲劳寿命预测可行，许志兴p·则用局部应力应变法对膨胀节的疲劳寿命进行了研究，并和疲劳试验结果进行比较，认为此法可行且准确。周毅锦”1通过小试件代替波纹管验证局部应力应变法并提出预测公式且与实验数据对比，结果理想。然而影响疲劳寿命的因素很多且都存在不确定性，通过常规方法算出来的只是一个确定值，与实际结果还有一定的偏差。所以研究在各个随机性的影响因素扰动下波纹管设计疲劳寿命的可靠性，分析哪些随机变量为波纹管疲劳寿命的最

5、主要影响因素，使得在波纹管疲劳设计中可以通过控制这些因素的分散性以提高波纹管寿命的可靠性是有必要的。2理论方法在处理循环载荷下的疲劳时，要用到疲劳累积损伤理论，采用Miner准则疲劳寿命为：∑(n／N。)=瑾层(q)=1(1)式中：a——疲劳累积损伤随机变量；Ni——第i个循环的疲劳寿命，可由应变寿命Coffin—ms．nson关系求得：竽：毕(2M)6+8ft(2M)c(2)‘D。式中：研’——疲劳强度系数；crf’——疲劳塑性系数；b——疲劳强度指数；c——疲劳塑性指数；盯。——平均应力；△占——局部应变幅度。考虑

6、到影响疲劳寿命的多种因素的随机性，可以用蒙特卡洛抽样法对各个随机变量进行抽样进行模拟。文献[5]中通过实例证明用一阶近似多项式方法求得的均值、均方差与用蒙特卡洛法模拟得到的结果非常接近，且计算起来也很简单。具体方法是把疲劳寿命表示为T=t(b，c，E，crf’，占，’，△占，盯。)的方程，其系数可通过随机向量中各个元素的随机扰动对函数值的影响来估算，用一阶Tay—lor级数可以将均值关系表示为线性方程：pr=to+tIb+t2c+t3E+I‘crf’+t，嘶’+16△占+tTO"。(3)疲劳寿命标准差为：盯r=[(tI

7、or6)2+(t20"。)2+(13矿层)2+(“盯，．)2+(屯矿．?)2+(k盯h)2+(b盯，．)2]十(4)式中：ti=△t／缸‘，△t=r(xi+缸i)一r(Xi)，Axi=0．1tr。，矿，——第i个随机变量的均方差。用上述多项式方法计算得到疲劳寿命的均值和标准差，而在文献[6]中表明波纹管的疲劳寿命是遵循对数正态分布的，所以可以得出波纹管对数疲收稿日期：2010-02-23(修改稿)第7期曹文晖等．波纹管疲劳寿命可靠性分析·57·劳寿命均值和方差分别为：／Zl,r：19弘r一÷lg(1+％)(5)·p7矿

8、耵2：÷lg(1+％)(6)‘pr通过对数疲劳寿命均值及其标准差计算，设计疲劳寿命下的可靠度尺：R一’【-警1(7)传统的局部应力应变法预测疲劳裂纹形成寿命时一般采用诺伯公式近似计算局部应力应变幅度值，计算繁琐而且精度有待商榷，用ANSYS有限元方法算出波纹管在循环载荷下的局部应力应变值，得到裂纹萌生点应变幅度，再用上述方法进行疲