金属波纹管低周疲劳寿命及可靠性的研究

　　0　引言

　　金属波纹管是一种挠性、薄壁、有横向波纹的管壳零件,在外力及力矩作用下能产生轴向、角向、侧向及其组合位移。除弹性特性外,金属波纹管还具有耐压、密封、耐腐蚀、耐温度、耐冲击等多种性能,是一种多功能零部件,现已广泛应用于机械、航空航天、船舶、汽车、石化、能源、核工业等领域。图1示出某核电站用金属波纹管组件。

　　近几年,随着国内能源、核电、航天等领域技术水平的迅速发展,对高温、高压和耐腐蚀等特殊用途的金属波纹管需求日益增多。这类特种金属波纹管最普遍的特征是性能指标高、使用环境苛刻、可靠性要求高、设计难度大,很难用常规设计方法进行设计。对于金属波纹管,目前国内普遍采用的工程设计方法是美国膨胀节制造商协会(简称EJMA)标准[1]中的计算公式,该公式能部分解决一般工程上的应用问题,但对于特种金属波纹管,由于使用工况特殊性,很难用EJMA公式准确计算,故需要应用新的设计方法对其进行设计以及可靠性研究。

　　特种金属波纹管的研制一般需要经过设计、研制、试验、优化、研制等多次循环,大多数满足使用要求,但是安全裕度较大,对于某些关键部件甚至需要进行冗余设计,增加其可靠性。分析其原因,主要是在可靠性设计方面理论研究不够成熟,需要进行相关研究和理论创新。

　　1　低周疲劳及可靠性研究及现状

　　低周疲劳及可靠性理论与方法开始于20世纪90年代,W irsching等做过有益探索,国内李永生教授等[2-4]在波纹管疲劳方面也做过类似的研究。在波纹管的低周疲劳寿命中,如仅根据Cof-fin-Manson或Smith-Watson-Topper等假设,在ε—N方程中个别或全部材料常数服从某一分布的独立随机变量,既近似也无法合理确定,又没有考虑循环σ—ε关系的随机性,很难准确计算出它的可靠疲劳寿命。

　　尽管如此,在疲劳寿命可靠性研究方面仍面临着巨大的瓶颈[5-6],对其疲劳机理的研究仍然不够成熟。与之同时,出现了一系列相关的问题,主要有:

　　(1)疲劳寿命计算通常不如强度计算精确,疲劳寿命的分散性也远远大于强度分散性;

　　(2)疲劳寿命特性很难从其他机械特性中精确地推断出来,必须通过试验和相关的数据统计才能得到;

　　(3)同批波纹管产品、同样环境下得到的测试结果可能大相径庭,这就需要统计数据来解释;

　　(4)为了获得高可靠性,对于重要的产品和结构必须进行“失效安全”设计[7],即使一个波纹管组件失效,整个结构仍然保持完好且在短期内仍能承载。

　　2　可靠度函数