高阻尼多层U形波纹管轴向等效刚度的有限元分析

　　0 引言

　　多层金属波纹管是由套合的多层金属薄壳构成，作为一种减振隔声性能优良的挠性元件，广泛应用于各种管路系统中，以吸收管路的尺寸变化及削减管路和设备的振动传递[1]。刚度是其重要的性能指标，刚度越小，则柔性越好，减振性能也越好，但波纹管可能会因为变形过大而失稳; 刚度过大，又会导致波纹管减振效果的降低和管道支架位移反力过大，难以满足位移补偿的目的[2]。

　　为进一步提高金属波纹管的减振降噪能力，利用粘弹阻尼技术对波纹管层间进行阻尼处理，可以研制出减振降噪性能更优的高阻尼多层波纹管[3]。然而，目前对含夹层阻尼波纹管等效刚的研究较少，波纹管的各种标准中也均未涉及含夹层阻尼波纹管的刚度计算方法。文中通过数值仿真对含夹层阻尼波纹管的轴向等效刚度进行研究，初步探讨有阻尼多层波纹管等效刚度的作用规律。

　　1 波纹管有限元模型的确立

　　1. 1 波纹管参数

　　波纹管的参数选用单层壁厚 0. 5 mm 的 2 层结构，同时，为了提高波纹管的减振降噪能力，在波纹管层间附加阻尼性能优良的聚四氟乙烯粘弹阻尼材料对其进行阻尼处理。无阻尼波纹管参数如表 1 所示。

　　1. 2 模型的基本假设

　　( 1) 波纹管结构一般属于大变形、小应变; 假定材料为双线性塑性模型，不考虑材料缺陷的影响;

　　( 2) 粘弹阻尼材料假定为线弹性，不考虑材料性能随温度的变化，泊松比为常数。

　　1. 3 波纹管有限元模型

　　为了验证有限元模型的正确性，首先建立无夹层阻尼的波纹管有限元模型，波纹管参数如表1 所示。根据文献[4]对用于成形波纹管 304 不锈钢薄板的力学性能试验研究，波纹管材料的平均屈服强度 σS由波纹管的平均壁厚减薄率 λ 计算，材料塑性段的斜率 Et= 2640 MPa

　　模型选用 3D - Solid 单元，壁厚采用考虑减薄后的平均壁厚 &_m，考虑波纹管几何非线性，材料非线性以及层间接触非线性，建立波纹管的1/4圆周有限元模型，如图 1 所示。分析过程中考虑几何非线性需要设置模型为大变形，材料模型选择 Mises 屈服条件，双线性应力应变关系和随动硬化准则，此时需要设置的参数有材料的弹性模量、泊松比、屈服强度和切线模量。考虑接触非线性的影响，层间通过设置接触面与目标面建立接触关系。

　　根据刚度 K 的定义:

　　式中 S———波纹管轴向位移

　　F———产生位移 S 所需要的轴向力