机械密封焊接金属波纹管的疲劳寿命计算及分析

摘要

焊接金属波纹管机械密封，是用波纹管来替代密封中的弹簧和辅助密封圈。在旋转设备旋转时，机械密封中动环会产生轴向位移，而波纹管可以依靠本身的特性，来补偿及缓冲这一现象。对机械设备而言，机械密封的失效将影响其工作性能和使用寿命，而机械密封中焊接金属波纹管的失效在通常情况下为疲劳破坏，因此研讨焊接金属波纹管的疲劳寿命，具有重要意义。
　　S型焊接金属波纹管机械密封，在安装时对中性良好，故不考虑其离心力，对波纹管受力分析。运用SolidWorks和ANSYS Workbench等通用商业软件，对波纹管进行建模，网格划分以及静力学力分析，得到变形和应力的分布云图，并计算疲劳寿命。另外因波纹管处于高温工况，故对其进行热-结构耦合分析，探讨温度对疲劳寿命的影响。在此基础上，对S型焊接金属波纹管进行瞬态动应力分析，得到达到顶峰的最大应力值，并用公式估算其疲劳寿命，与热-结构耦合有限元结果相比较。最后，根据S型波纹管的几何形状，设计U型焊接金属波纹管，并在与S型相同工况下，求解U型波纹管的疲劳寿命，并与S型相比较。
　　S型焊接金属波纹管，网格划分共生成557312个节点，87000个单元。静力学分析结果，最大变形为3.0586mm，位置在波纹管的游离端，小于其最小允许工作位移7.96mm；最大应力值为117.58MPa，位置在波纹管膜片的焊接处，小于材料316钢的许用应力206.7MPa；最小疲劳寿命为3.49年，满足工厂大检修的要求。热-结构耦合分析，得到最大变形为2.6728mm，小于其最小允许工作位移，其最大变形位置同样在波纹管的游离端；最大应力值为200.2MPa，在波纹管的固定端，是由于固定载荷引起的，在波纹管的焊接处，是危险部位，应力为121.11MPa；最小疲劳寿命为2.35年，比静力学分析下的疲劳寿命小，但同样满足工厂大检修的要求。
　　在S型焊接金属波纹管的轴向瞬态动应力最大值为0.5764N时，有限元结果得到随时间变化的最大变形值和最大应力值。在t=0.021875s时，最大变形值和最大应力值达到顶峰，其中最大变形是2.6881mm，在波纹管的游离端；最大的应力值为103.45MPa，位于膜片的焊接处，都在允许范围之内。最大应力值与热-结构耦合同一位置应力结合，求得平均应力，代入道林损伤公式中，得到波纹管的使用寿命为2.59年，与有限元分析结果相差不大。
　　U型焊接金属波纹管，网格划分共生成278062个节点，39432个单元。静力学分析结果，最大变形分别为0.17926mm，小于其允许工作位移，最大变形位置在波纹管的游离端；最大应力为198.47MPa，小于材料316钢的许用应力，位置在波纹管的波谷处；最小疲劳寿命为2.29年，满足工厂大检修的要求。热-结构耦合分析时，最大变形为0.16222mm，小于其允许工作位移，最大变形位置在波纹管的游离端；波纹管最大应力为567.76MPa，小于材料的3倍许用应力，在波纹管的固定端，是由于固定载荷引起的，在波纹管的波谷处，是危险部位，应力为166.08MPa；最小寿命为0.16年，不能满足工厂检修的要求。
　　U型焊接金属波纹管与S型工况相同的情况下，进行瞬态动力学分析，得到随时间变化的最大变形值和最大应力值。同样在t=0.021875s时，最大变形值和最大应力值达到顶峰，其中最大变形是0.14934mm，在波纹管的游离端；最大的应力值为110.32MPa，同样位于波谷处，都在允许范围之内。最大应力值与热-结构耦合同一位置应力结合，求得平均应力，代入道林损伤公式中，得到波纹管的使用寿命为0.17年，与有限元分析结果相差不大。
　　两种波形的波纹管，在不考虑温度的情况下，从疲劳寿命方面来说都能满足实际生产需要。但是在焊接金属波纹管机械密封中，波纹管不仅是连接元件，而且可以对动环产生的轴向位移进行缓冲和补偿。若U型波纹管弹性小的话，无法具有这一特性。而且 U型焊接金属波纹管在高温工况下，其疲劳寿命比 S型差很多。所以，对 U型焊接金属波纹管来说，在旋转设备上，还是有一定的局限性，无法普遍的运用。
　　通过以上的研究，为以后对焊接金属波纹管的设计研究提供参考，并对S型波纹管波形的优化提供新的方法。

目录

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附表索引

符号注释表

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 研究背景及研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 课题研究的主要内容

1.5 本章小结

第2章 焊接金属波纹管

2.1 波纹管材料的选择

2.2 金属波纹管的类型

2.3 焊接金属波纹管的几何参数和性能参数

2.4 焊接金属波纹管疲劳寿命的计算方法

2.5 疲劳寿命在ANSYS Workbench中的实现

2.6 本章小结

第3章 S型焊接金属波纹管疲劳寿命的有限元分析

3.1 建立S型焊接金属波纹管的几何模型

3.2 S型焊接金属波纹管的力学模型

3.3 S型焊接金属波纹管的有限元模型

3.4 S型焊接金属波纹管的疲劳寿命

3.5 S型焊接金属波纹管热-结构耦合有限元分析

3.6 S型焊接金属波纹管的瞬态动力学分析

3.7 公式法估算S型焊接金属波纹管的疲劳寿命

3.8 本章小结

第4章 U型焊接金属波纹管疲劳寿命的有限元分析

4.1 U型焊接金属金属波纹管的静力学分析

4.2 U型焊接金属波纹管的疲劳寿命

4.3 U型焊接金属波纹管热-结构耦合有限元分析

4.4 U型焊接金属波纹管的瞬态动力学分析

4.5 公式法估算疲劳寿命

4.6 S型和U型焊接金属波纹管的比较

4.7 本章小结

结论与展望

1.主要内容总结

2.研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文