管道用U形外压膨胀节的应用研究

摘要

U形外压膨胀节具有无柱失稳、轴向补偿量大、安装便捷等优点，在实际生产中的应用越来越广泛。目前关于膨胀节的应用研究有很多成果，但大部分都集中在内压U形膨胀节方面，外压膨胀节很少涉及。为深入了解外压膨胀节的力学特性，为工程实践提供参考，本文利用常规方法和有限元分析方法对承受外压的U形膨胀节核心部件—波纹管进行强度、疲劳以及稳定性分析，具体研究内容如下:
　　(1)采用EJMA常规设计方法进行波纹管的设计校核，为后续计算提供参照。利用极限载荷分析法进行波纹管的极限载荷分析，研究了拉伸位移、波形参数以及层间接触状态对波纹管极限承载能力的影响，并在此基础上进行单层和多层波纹管极限承载能力的对比研究。结果表明:拉伸位移（许用范围内）和层间接触状态对波纹管极限承载能力几乎没有影响，波纹管极限承载能力与波形参数负相关;多层波纹管极限承载能力弱于同等厚度的单层波纹管。
　　(2)采用二倍屈服法进行波纹管的弹塑性疲劳分析。研究了拉伸位移、波形参数以及层间接触状态对波纹管疲劳寿命的影响，并在此基础上进行单层和多层波纹管疲劳寿命的对比研究。结果表明:拉伸位移和层间摩擦对波纹管疲劳寿命几乎没有影响，波纹管疲劳寿命与波纹管波形参数及层间间隙负相关;多层波纹管的疲劳寿命短于同等厚度单层波纹管的疲劳寿命。
　　(3)采用特征屈曲分析和非线性屈曲分析进行波纹管的稳定性研究。研究了拉伸位移、波形参数以及层间接触状态对波纹管稳定性的影响，并在此基础上进行特征屈曲分析和非线性屈曲分析以及单层和多层波纹管稳定性的对比研究。结果表明:波纹管特征屈曲载荷随着拉伸位移的增大先增大后减小，随着波形参数的增大而减小;波纹管非线性屈曲载荷不受层间接触状态以及初始缺陷的影响;波纹管非线性屈曲载荷明显小于特征屈曲载荷，且层间接触会导致波纹管非线性屈曲载荷减小。
　　(4)采用VB进行ANSYS二次开发，编写U形波纹管常规和分析设计计算软件。软件不仅可以简化计算步骤、提高计算效率、减小计算成本，也可以降低分析设计方法应用的门槛。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 波纹管力学特性研究状况

1．2．1 波纹管理论研究现状

1．2．2 波纹管有限元分析现状

1．3 本论文的研究意义及内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

第二章 外压波纹管强度分析

2．1 波纹管膨胀节结构及设计参数

2．1．1 波纹管膨胀节结构

2．1．2 波纹管工艺条件、材料及结构尺寸

2．2 波纹管常规分析

2．2．1 波纹管常规计算公式

2．2．2 波纹管常规计算

2．2．3 波纹管常规应力校核

2．3 弹塑性分析方法介绍

2．3．1 极限载荷分析方法介绍

2．3．2 数值计算方案

2．4 波纹管极限载荷分析有限元模型

2．4．1 材料模型

2．4．2 有限元模型

2．4．3 载荷边乔条件

2．5 单层波纹管极限载荷分析

2．5．1 拉伸位移对波纹管极限承载能力的影响

2．5．2 波形参数对波纹管极限承载能力的影响

2．6 多层波纹管极限载荷分析

2．6．1 摩擦系数对波纹管极限承载能力的影响

2．6．2 层间间隙对波纹管极限承载能力的影响

2．7 单层波纹管、多层波纹管极限承载能力对比

2．8 本章小结

第三章 外压波纹管疲劳分析

3．1 弹塑性疲劳分析方法介绍

3．1．1 二倍屈服法介绍

3．1．2 数值计算方案

3．2 波纹管二倍屈曲法疲劳分析有限元模型

3．2．1 材料模型

3．2．2 有限元模型

3．2．3 载荷边界条件

3．3 单层波纹管疲劳分析

3．3．1 波纹管疲劳寿命计算

3．3．2 拉伸位移对波纹管疲劳寿命的影响

3．3．3 波形参数对波纹管疲劳寿命的影响

3．4 多层波纹管疲劳分析

3．4．1 摩擦系数对波纹管疲劳寿命的影响

3．4．2 层间间隙对波纹管疲劳寿命的影响

3．5 单层和多层波纹管疲劳寿命对比

3．6 本章小结

第四章 外压波纹管稳定性分析

4．1 有限元失稳分析介绍

4．2 波纹管屈曲分析有限元模型

4．2．1 材料模型

4．2．2 有限元模型

4．2．3 载荷和边界条件

4．3 单层波纹管特征屈曲分析

4．3．1 拉伸位移对波纹管特征屈曲的影响

4．3．2 波形参数对波纹管特征屈曲的影响

4．4 单层波纹管非线性屈曲分析

4．4．1 初始缺陷对外压波纹管非线性屈曲的影响

4．4．2 非线性屈曲分析与特征值屈曲分析对比

4．5 多层波纹管非线性屈曲分析

4．5．1 层间摩擦系数对波纹管屈曲的影响

4．5．2 层间间隙对波纹管屈曲的影响

4．6 单层波纹管、双层波纹管非线性屈曲对比

4．7 本章小结

第五章 外压波纹管设计计算软件开发

5．1 软件编制背景及原理

5．2 U形无加强波纹管设计计算软件

5．2．1 “文件”选项介绍

5．2．2 “参数”选项介绍

5．2．3 “计算”选项介绍

5．2．4 “结果”选项介绍

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介