有限元分析在波纹管补偿器中的应用

　　0 引 言

　　波纹管补偿器中主要零件的金属波纹管类组件是一类常用的弹性元件，主要包括金属波纹管、波纹膨胀节、波纹换热管、膜片膜盒和金属软管等。波纹管类组件是利用材料的弹性来实现所要求的功能。波纹管的特点是轴向刚度小、径向刚度大，故能承受较大的轴向位移，还能承受一定的内、外压。当轴向力较小时，其变形较小;在较大轴向力时，波纹管产生较大变形，此时，波纹管的弹性是非线性的，因此，波纹管的弹性特性既有线性的也有非线性的，受力分析相当复杂。其在工作过程中载荷是动态的，载荷变化规律也较复杂。它作为一关键零部件，其寿命将严重影响整个系统的性能和寿命，本文着重研究金属波纹管。

　　1 国内外金属波纹管的发展概况

　　波纹管的应力应变分析研究方法主要有三种:解析分析方法[1]，工程近似方法，数值分析方法[2～3]。

　　表1是现阶段金属波纹管的国内外技术概况。

　　2 金属波纹管的失效和有限元分析的应用

　　2.1金属波纹管失效的方式和原因

　　金属波纹管是一种重要的柔性连接和弹性补偿元件[4]，国内外学者的大量研究,取得了一定的成果。但因薄壁结构与不规则形状,应力分布较为复杂,波纹管性能受几何参数的影响较大。虽然波纹管的性能参数计算大多在国家标准中已有规定的计算公式，但都是近似公式，公式中用的修正系数,也不足以表示波纹管受力和变形的真实情况。

　　金属波纹管有三种失效形式[5]：残次产品(漏检或隐蔽缺陷的产品);波纹管过载或环境变化超过预期;损坏失效。对波纹管进行机械稳定处理，可以减少意外失效。损坏失效带有偶然性，主要是由于材料发生疲劳、松弛现象、自然失效等不可逆过程引起的，由于这种过程是有规律的自然过程的结果，所以很难消除;但是，如果我们通过某些方法，得到失效的预期时间，则有助于研究这些过程发展的规律性，以及确定哪些是可以判定影响金属波纹管工作能力的重要参数。

　　2.2有限元分析的应用价值和意义

　　金属波纹管的许多技术参数都是由材料参数(例如弹性模量、弹性迟滞、抗塑性变形的强度系数、疲劳强度等)决定的，而材料的性能又取决于它的质量、机械加工、热处理规范;所以材料的性能受时间、温度、其他因素的影响，在任何实际材料中，都存在着结构的不完善性，由于蠕变、应力松弛、变形时效过程，使材料的物理机械性能发生了一些改变，这都是波纹管技术参数不稳定的一些根源，可以预期金属波纹管(包括其它类的波纹管)的刚度、迟滞、最大工作行程、起始位置的特性漂移等，都会随时间而发生变化。