波紋管ANSYS有限元分析

1、第一章綜述1.1 波紋管的發(fā)展波紋管膨脹節(jié)是壓力容器和管道系統(tǒng)中常用的連接和補(bǔ)償裝置，其主體是金屬波紋管。它的特點(diǎn)是軸向剛度較小，徑向剛度較大，故能夠承受較大的軸向位移，同時(shí)還能夠承受一定的內(nèi)、外壓，常用于補(bǔ)償管道因溫度變化、機(jī)械位移或振動(dòng)引起的軸向、橫向和角向位移。運(yùn)行中的波紋管的波峰波谷部位實(shí)際處于彈塑性區(qū)域，但是，目前波紋管常用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是將波紋管視為梁或曲桿，通過梁理論進(jìn)行彈性的應(yīng)力應(yīng)變分析，這勢必會(huì)帶來較大的誤差。隨著數(shù)值分析技術(shù)和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，利用非線性有限元技術(shù)對波紋管進(jìn)行較為精確的應(yīng)力應(yīng)變分析已成為波紋管研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。本文吸取了前人在有限元程序設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn)，根

2、據(jù)波紋管自身的非線性特性，利用FortranPowerSta-tion410與VisualC+610混合語言編程技術(shù),開發(fā)出一套界面友好，使用方便，求解精度較高的波紋管有限元應(yīng)力應(yīng)變分析專用軟件系統(tǒng)。1.2 波紋管非線性特性與有限元程序設(shè)計(jì)固體力學(xué)問題，從本質(zhì)上講都是非線形的，線性假設(shè)只是實(shí)際問題的一種簡化。線性分析的基本假設(shè)包含三點(diǎn)：結(jié)點(diǎn)位移為無限小量，材料為線彈性，加載時(shí)邊界條件的性質(zhì)保持不變。如果上述假設(shè)中的任一條不能滿足，則屬于非線性問題。常見的是不滿足前兩種假設(shè)的非線性行為，分別稱為幾何非線性和材料非線性。1.3 波紋管的非線性特性工作狀態(tài)下的波紋管伸縮變形是一種復(fù)雜的非線性變形。在

3、小載荷情況下，波紋管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性特征，而當(dāng)其承受較大的位移補(bǔ)償時(shí)，結(jié)構(gòu)處于高應(yīng)力水平，波峰和波谷的局部處于塑性區(qū)，此時(shí)，一般采用彈性線性強(qiáng)化模型分析波紋管的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。另外，波紋管的單波位移量一般大于壁厚,屬于大位移行為，同時(shí)，大量的研究表明，此時(shí)的波紋管大部分區(qū)域依然處于小應(yīng)變范圍。因此，運(yùn)行狀況下的波紋管還表現(xiàn)出大位移、小應(yīng)變的幾何非線性特征。1.3.1 非線性有限元程序設(shè)計(jì)本軟件系統(tǒng)所用的求解程序是一個(gè)通用的二維非線性有限元程序，圖1是該程序的流程圖，其主體部分借鑒了文獻(xiàn)132中提出的有限元程序設(shè)計(jì)方法。ZERO把需要累加的數(shù)組置零圖1.1二維非線性有限元程序流程RF頊DU計(jì)算

4、殘余力矢最FRONT潴前法求解聯(lián)立方程組EEFFP計(jì)算單元?jiǎng)偭仃嘇LGOR設(shè)置變量以識(shí)別解皆覺型COLVER檢杳求解過程是否收放|迭代結(jié)拜期布增量循環(huán).1.3.2 波紋管有限元計(jì)算模型根據(jù)波紋管的幾何特征和載荷特征，系統(tǒng)采用二維軸對稱模型進(jìn)行求解，單元類型為8結(jié)點(diǎn)拋物線等參單元，并開發(fā)出相應(yīng)的前處理程序。以U型波紋管為例，通過輸入波紋管的基本波形參數(shù)、材料參數(shù)和運(yùn)行狀況參數(shù)，便可建立如圖2所示的計(jì)算模型，自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界約束和等效結(jié)點(diǎn)力加載。圖1.2波紋管二維軸對稱有限元計(jì)算模型波紋膨脹節(jié)被廣泛應(yīng)用于管路熱補(bǔ)償、隔振、降噪。自40年代以來，世界各工業(yè)國家的研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家對作為其主要

5、組成部分的波紋管進(jìn)行了廣泛的研究。在不同工況下對波紋管進(jìn)行應(yīng)力）應(yīng)變的分析是評估其對各種工況承受能力的基礎(chǔ)和重要組成部分。70年代之前的結(jié)構(gòu)分析主要采用解析法，根據(jù)近似簡單梁、近似圓柱體、近似殼體的假設(shè)，依據(jù)彈性理論得到波紋管殼體中的應(yīng)力）應(yīng)變值1。但由于波紋管本身是一種較為復(fù)雜的軸對稱薄壁殼體，且在絕大多數(shù)工況下材料處于彈塑性大變形范圍內(nèi)，因而在解析解與波紋管材料的實(shí)際響應(yīng)之間存在著較大的誤差。為使兩者間達(dá)到近似的統(tǒng)一，學(xué)者們在解析法得到的近似解中引入了由圖表形式給出的修正系數(shù)。這種方法目前正廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)部門，如EJMA規(guī)范中的應(yīng)力計(jì)算式2o70年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，

6、有限元分析在結(jié)構(gòu)分析中的地位日漸突出，許多商用有限元軟件應(yīng)運(yùn)而生。有限元分析以其在解決幾何非線性、材料非線性和結(jié)構(gòu)非線性問題方向的獨(dú)特優(yōu)勢而為愈來愈多的研究人員所接受。非線性有限元計(jì)算能夠有效地解決傳統(tǒng)的解析法無法計(jì)算的波紋管彈塑性大變形范圍內(nèi)的載荷）應(yīng)力響應(yīng)問題。但由于以往有限元計(jì)算軟件方面的局限性，其分析結(jié)果距離能夠真正運(yùn)用到波紋管的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方面還有一定的差距。本文建立了波紋管非線性分析模型,并采用大型有限商用軟件ANSYS!行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，得到了與波紋管設(shè)計(jì)計(jì)算有關(guān)的載荷）應(yīng)力響應(yīng)關(guān)系，并就波紋管非線性有限元計(jì)算進(jìn)行研究。第二章建模過程及求解2.1

7、 波紋管結(jié)構(gòu)示意圖圖2.1參數(shù)含義2.2 第一組數(shù)據(jù)表2-1關(guān)外徑內(nèi)徑壁厚波距波高波紋管波峰半波谷半層波參工DD2STB長度L徑R1徑R2數(shù)數(shù)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(m)(m)數(shù)二7736981907544023.721.314值2.2.1 具體坐標(biāo)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)12(288.7.70.0)13(288.7

8、.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 建立坐標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)ANSYSMainMenu:選擇Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints一InActiveCS填寫對應(yīng)坐標(biāo)圖2.2坐標(biāo)點(diǎn)圖2.2.3 生成特征點(diǎn)并且連接、倒圓角、布爾操作選擇Preprocessor|Modeling|Create|Lines|StraightLineW出CreateStraightLine框，連接各點(diǎn)。如下圖所示選擇Prepr

9、ocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines圖2.3坐標(biāo)點(diǎn)連線2.2.4 生成殼體選擇Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines圖2.4螺線管殼體2.2.5 劃分網(wǎng)格ANSYSMainMenu:Preprocessor-Meshing-MeshTooH(SizeControls)lines圖2.5網(wǎng)格劃分2.2.6 分析計(jì)算選擇Solution|Solve|CurrentLS得出結(jié)果2.2.7 偏移量,-w;=:±:'5;一框三直LIJILL.i-.HnJ_.:.1-M.!:.:!

10、:r二二JI副圈制園Ei-Fm":='fl一滴£±一.-F!T-1rt一一1卜MHm二-k嗎昌¥淚三受1|督13一1*IWEHEtBUDI：3rUfEM3nI9W7工UtiETS口"才圖2.6偏移圖2.2.8 分析計(jì)算圖2.7應(yīng)力云圖這個(gè)是應(yīng)力云圖，從圖2.7中可以看出當(dāng)最大位移是45mmi勺時(shí)候最大應(yīng)應(yīng)力是491mpa最小應(yīng)力是3.3281mpa.最大應(yīng)力接近屈服極限480mpa,因此可以認(rèn)為波紋管最大補(bǔ)償是45mm圖2.8位移云圖這個(gè)是位移圖2.8,當(dāng)位移是45mm的時(shí)候達(dá)到304材料的最大屈服極限2.3 第二組數(shù)據(jù)表2-2參數(shù)外徑

11、D1(mm)內(nèi)徑D2(mm)壁厚S(mm)波距T(mm)波高B(mm)波紋管長度L(mm)波峰半徑R1(mm)波谷半徑R2(mm)層數(shù)(m)波數(shù)(m)數(shù)值7236481907544023.721.3142.3.1 具體坐標(biāo)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)12(288.7.70.0)13(288.7.0.0)14(331.3.0.0)15(331.3.70.0)16(

12、378.7.70.0)17(378.7.0.0)18(440.0.0)19(0.-324.0)20(440.-324.0)2.3.2 定義材料參數(shù)因?yàn)槲覀冞x的材料是304，上網(wǎng)查的304鋼所對應(yīng)的彈性模量是1.9e11pa,泊松比是0.3052.3.3 建立坐標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)ANSYSMainMenu:選擇Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints一InActiveCS填寫對應(yīng)坐標(biāo)圖2.9坐標(biāo)點(diǎn)圖2.3.4 生成特征點(diǎn)并且連接、倒圓角、布爾操作選擇Preprocessor|Modeling|Create|Lines|StraightLine單出CreateStraig

13、htLine框，連接各點(diǎn)。如下圖所示選擇Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines圖2.10坐標(biāo)連線2.3.5 生成殼體選擇Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Add|Lines圖2.11螺紋管殼體2.3.6 劃分網(wǎng)格ANSYSMainMenu:Preprocessor-Meshing-MeshTooH(SizeControls)linesAN：P.SI圖2.12網(wǎng)格劃分2.2.7分析計(jì)算選擇Solution|Solve|CurrentLS得出結(jié)果2.3.8 偏移量圖2.13偏移圖JTH16-,3Q

14、LC>2.3.9 應(yīng)力及波紋處受力分析圖2.14應(yīng)力云圖這個(gè)是應(yīng)力云圖，從圖2.14中可以看出當(dāng)最大位移是43mm的時(shí)候最大應(yīng)應(yīng)力是436.04mpa,最小應(yīng)力是9.1958mpa.最大應(yīng)力接近屈服極限480mpa,因此可以認(rèn)為波紋管最大補(bǔ)償是43mm圖2.15位移云圖這個(gè)是位移云圖2.15,當(dāng)位移是43mm的時(shí)候達(dá)到304材料的最大屈服極限此時(shí)的位移補(bǔ)償量為43mm第三章結(jié)論說明3.1 通過上面兩組數(shù)據(jù)的對比分析，得由以下結(jié)論(1)內(nèi)徑對波紋管的補(bǔ)償量是很大的，第一組數(shù)據(jù)內(nèi)外徑D=773mmd=698波紋管的補(bǔ)償量是45mm勺時(shí)候它的應(yīng)力接近最大屈服極限480mpa;第二組數(shù)據(jù)內(nèi)外徑D

15、=723mmd=648波紋管的補(bǔ)償量是43mm勺時(shí)候它的應(yīng)力接近最大屈服極限480mpa.內(nèi)外徑相差50mm波紋管的補(bǔ)償量就相差2mm由此可以看出內(nèi)外徑對波紋管的影響是不可忽略的(2)波紋管通常要求有盡可能大的補(bǔ)償量，因此波紋管在滿足承壓的前提下，盡可能減小內(nèi)徑，以獲得較高的柔性。參考文獻(xiàn)1葉青.微機(jī)原理與接口技術(shù).清華大學(xué)出版社，2011:9-1.2薛華成.管理信息系統(tǒng)M.北京：清華大學(xué)出版社，1993:99-103.3李暉.高性+能計(jì)算機(jī)若干關(guān)鍵問題研究D.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009:125-138.沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院工程軟件實(shí)踐應(yīng)用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級:學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師:

16、工程軟件應(yīng)用實(shí)踐任務(wù)書機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)班學(xué)生:論文題目：內(nèi)外徑對U形波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償能力的影響具體參數(shù):參數(shù)1參數(shù)2外徑Di(mm)773723內(nèi)徑D2(mm)698648壁厚(mm)11波距T(mm)9090波高B(mm)7070波紋管長度L(mm)440440波峰半徑R1(mm)23.723.7波谷半徑R2(mm)21.321.3層數(shù)m11波數(shù)n44材料304304指導(dǎo)教師：201年月日目錄第一章綜述11.1 波紋管的發(fā)展11.2 波紋管非線性特性與有限元程序設(shè)計(jì)11.3 波紋管的非線性特性11.3.1 非線性有限元程序設(shè)計(jì)21.3.2 波紋管有限元計(jì)算模型2第二章建模過程及求解42.1 波紋管結(jié)構(gòu)示意圖42.2 第一組數(shù)據(jù)42.2.1 具體坐標(biāo)42.2.2 建立坐標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)42