2016-05-25 15:16 來源:http://www.ztck.net/ 作者:河北華潔機械設備有限公司

金屬波紋管是現代受熱管網和設備進行熱補償的關鍵部件之一，具有位移補償、減振降噪和密封的作用。目前已廣泛應用于冶金、煉油、石油化工、電力(火電、水電和核電)、熱網、船舶、建筑、水泥、宇航和機械等各工業(yè)部門的熱力管線、工藝配管、機、泵和壓力容器等設備上。
　　1金屬波紋管設計研究
　　膨脹節(jié)由波紋管和其它零件組成，其中波紋管是組成膨脹節(jié)的基本元件，它是一柔性件，膨脹節(jié)的補償性能主要由它決定，因而波紋管的設計研究是膨脹節(jié)設計研究的關鍵內容。
　　1.1波紋管的特點
　　波紋管是一薄壁撓性元件，在內壓作用下要吸收(補償)熱膨脹或機械運動引起的位移，必須能充分地變形;它的成形過程會導致波殼材料金相組織顯著的改變;它的應力分布比較復雜，其中子午向彎應力是其應力的主要部分;它的側壁在內壓作用下有鼓脹、屈服情況。因此，波紋管的設計規(guī)則不能用傳統的剛性壓力容器的設計概念，有一套特殊的設計概念和方法。
　　1.2波紋管的設計研究方法
　　波紋管的設計研究方法主要有解析法、數值法和工程近似法三種。
　　(1) 解析法把波紋管看成由兩個半圓環(huán)殼與圓環(huán)板組合而成，將其求解問題看成圓環(huán)殼與圖環(huán)板的求解問題，利用圓環(huán)殼和圓環(huán)板的線性理論，把圓環(huán)殼和圓環(huán)板的有關方程代入連接條件，得到一系列的方程，通過聯立求解，得到u形波紋管在軸向自由位移與內壓下的一系列剛度及最大彎曲應力曲線和公式，并將其結果作實驗比較。錢偉長121從Reissner-Meissner軸對稱殼方程出發(fā)，提出了細環(huán)殼的一般解，并利用這一般解將u形波紋管單元按正負兩個細環(huán)殼處理，對其在軸向力和內壓作用下的變形和應力分布進行系統的計算，提出了工程設計公式。陳山林l將上述方法進一步推廣，給出環(huán)殼一般軸對稱問題的精確解，這種方法可以解決波紋管在任意載荷作用下的軸對稱環(huán)殼問題。朱衛(wèi)平等從E. L. Axelrad的柔性殼理論出發(fā)，得到了邊緣在子午面內受彎矩和橫向力作用下的柔性圓環(huán)殼方程和柔性細環(huán)殼方程，并借助錢偉長的細環(huán)殼一般解給出了柔性細環(huán)殼在子午面內整體彎曲的一般解，該一般解可以方便地用于有關波紋管的計算。
　　由于工業(yè)上的波紋管多采用銅、不銹鋼等材料制成，在一般彈性范圍內可以達到很大的位移，呈現出較強的非線性?；谶@一原因，在很多可靠性要求比較高的管道系統設計中，還需對波紋管進行嚴格的非線性分析。因而，探討波紋管的幾何非線性特性，具有重要的實際意義。錢偉長等切利用解析法與攝動法相結合的方法，分析了u形波紋管的大撓度問題.徐志翹等U采用攝動法對變厚度u形波紋管的大撓度問題進行了研究。Hu Liang的u形波紋管非線性攝動解，擴展了錢偉長和徐志翅的研究。
　　波紋管分析的解析法要受到波形的限制，計算冗長復雜，但它是波紋管應力分析的力學基礎。
　　(2 )數值法它是伴隨著計算機和計算數學的發(fā)展而產生的，主要有有限差分法和有限元法等。有限元法是工程數值分析的有力工具，它在波紋管的設計計算中己得到了廣泛應用。有限元法將波紋管本體離散化，分割成若干個(有限的)單元，同時也將外載荷離散化，通過能>t原理，建立起以節(jié)點位移為墓本未知盆的代數方程組，通過求解節(jié)點位移，進而求出應變和應力.有限元法可以一次算出多種工況下的波紋管的位移和應力分布，便于設計者進行應力和總體分析。
　　TsukimoriK 和IwataK 采用通用非線性結構有限元分析軟件FINAS，研究了u形波紋管在內壓及外壓作用下的屈曲問題，使用三結點軸對稱旋轉殼單元，子午向及環(huán)向位移采用二次多項式插，法向位移采用四次多項式插值，最后將所分析的問題變?yōu)樘卣髦祮栴}，應用FINAS中的子空間迭代法給出了波紋管柱失稱和平面失穩(wěn)的臨界壓力”.。朱益民等1峽用三結點曲邊單元、位移及轉角在體坐標下獨立插值的方法研究波紋管在小應變、小位移假設下的軸對稱振動時的自振頻率，與實際悄況較為接近。許志興等陰將墓于有限元的周部應力— 應變法應用于波紋管膝脹節(jié)的疲勞壽命分析和估算，得到很好的預測結果.劉穎等131用有限元方法分析波紋管的應力強度分布規(guī)律，能很好地進行波紋管的事故預測和應力評定。陳嘩等141采用非線性有限元對u形無加強型波紋管在不同平面失穩(wěn)工況下的應力響應進行了分析，建立了適合于工程使用的判定方法。
　　有限元法用于波紋管的分析，較之解析法可不受波紋管波形的限制，計算穩(wěn)定，但它不能為膨脹節(jié)的設計和選用人員提供一個既簡潔方便，又能滿足工程精度的設計公式。
　　(3) 工程近似法它是一種實用、簡便的設計方法，最受設計人員歡迎。這種方法大多采用直梁、曲梁或環(huán)板模型對波紋管進行簡化處理，然后應用材料力學的方法給出一些簡單的設計公式和圖表以供工程使用。
　　從上世紀60年代起，相繼出現了多種工程近似設計標準，其中較有影響的標準如美國膨脹節(jié)制造商協會(EJMA)標準、美國M.w. Kellogg公司標準、日本ToYO公司標準、英國Teddington公司標準、德國AD標準等。美國膨脹節(jié)制造商協會(EJMA)是于195年由一批在使用、設計和制造膨脹節(jié)方面富有經臉的公司發(fā)起成立的、1958年首次發(fā)布了膨脹節(jié)標準.該標準第一版較為簡單，只涉及到軸向位移的工況，以后隨著研究成果及試驗結果的增多，并將其逐步納入到標準內容之中，使標準增加了設計數據，擴展了使用范圍1998年修訂的EJMA-98為第七版。美國的MA標準較其它標準有明顯的優(yōu)點，它對波紋管的應力分析全面，假設條件較合理，加上計算式對實際的影響因素作了必要的修正，故計算結果與實驗數據較為接近，有一定準確性。該標準不僅對工程設計必須考慮的問題(如強度、穩(wěn)定性、剛度、疲勞壽命等)規(guī)定了相應的計算式，而且對各種尺寸的波紋管(單層或多層、帶加強或不帶加強元件)均可適用，能較好地滿足實用福要一它作為膨脹節(jié)制造商協會的專用標準，在世界上有相當的影響。
　　近年來 ， 我國壓力容器和管道用腳脹節(jié)的國家標準(如0壓鄺127-7199《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術條件》)均是主要參照該標準制定的。工程近似法且有一定的誤差，但在工程設計或大系統研究中是有效的。
　　2優(yōu)化設計研究
　　優(yōu)化設計這一現代設計方法是隨著計算機的廣泛使用而迅速發(fā)展起來的一門新學科。在解決復雜設計問題時，它能從眾多的設計方案中找到盡可能完善的或最合適的設計方案，并能大大提高設計質童和設計效率，是進行工程及產品設計的科學設計方法。它在規(guī)定的各種設計限制條件下，將實際設計問愚首先轉化為最優(yōu)化問題，然后運用最優(yōu)化理論和方法，在計算機上進行自動調優(yōu)計，從滿足各種設計要求及限制條件的全部可行方案中，選定出最優(yōu)設計方案。