有限元方法在膨胀节强度分析中的应用

　  1　引言

膨胀节的应用非常广泛。在这方面已有大量的 研究工作,但采用有限元方法对膨胀节进行设计、 研究的工作相对要少一些。本文用有限元方法对 GB16749-1997规定的单层及多层膨胀节结构在内 压载荷下进行塑性分析、考虑了多层膨胀节间的接 触问题。本文的数值结果表明,这些结构可以满足 该标准提出的强度方面要求。

　　2　数学模型及分析工具

由于本文仅考虑膨胀节在内压载荷及轴向位移 作用下的受力情况,可以采用轴对称模型进行计 算。本文的计算工作是由ANSYS通用有限元软件 完成的。膨胀节结构采用有中间结点的四边形单元 划分(PLANE82),多层膨胀节层间采用有三个结 点的面—面接触模型,由TARGET169和CONTA172 构成接触对,该模型能够考虑到层间的摩擦、力的 相互作用。由于膨胀节工作在塑性状态,故本文在 计算模型中采用多线形等向强化假设,使用Von Mises屈服准则的等向强化应力—应变曲线,适用 于按比例加载的情况以及大应变分析。

本文计算选用的结构参数按照GB16749 - 1997,公称直径DN=250mm,波高h=40mm,圆 弧半径R=9·5mm,直边长度L4=25mm,公称压 力PN=1·6MPa。计算模型的边界条件为内壁受内 压,膨胀节一端固定,按照标准给出的单波允许最 大位移乘以膨胀节的波数,在另一端给出位移量。

　　3　本文的工作

3·1　膨胀节波数对计算结果的影响

为研究膨胀节波数对计算结果的影响,本文分 别计算了波数为3,6,12单层膨胀节结构,膨胀节 的材料为不锈钢,材料的屈服极限σs为205MPa, 抗拉强度σb为520MPa。进入塑性阶段的应力—应 变关系采用幂强化材料模型(m=0·25)假设。压 力p=1·6MPa,壁厚为3mm,位移量为3×2·1mm。 比较这三种情况可以看出,在波数变化时,应力强 度最大值基本上没有变化,膨胀节长度变化很大 时,应力强度最大值从250·4变化到245·8MPa,并 且出现应力强度最大值的位置、塑性区大小以及膨 胀节的应力分布情况也相似,因此,在很大范围 内,波数对计算结果的影响可以忽略,所以在本文 其后的计算都是针对波数为6的膨胀节结构。图1 为波数为6的膨胀节计算结果。

3·2　膨胀节层数的影响

本文作者计算了单层、双层、三层结构的膨胀 节,根据有限元接触问题的性质与特点,考虑了膨 胀节层间的相互作用,如摩擦力的传递,如图2~ 5所示。 图1　波数为6的膨胀节计算结果的比较