低温环境下波纹管的轴向刚度计算

　　1　引言

　　波纹管的性能参数计算在国家标准中有规定的计算公式,但这些计算公式均是近似的,即使公式中采用了修正系数,也不足以表示波纹管的受力和变形的真实情况。尤其在航天应用中,波纹管作为液体火箭发动机动力系统的重要元件,它在低温环境中的工作性能同样会对发动机的工作有重要影响。本文针对某液体火箭发动机试车台所用的波纹管,通过建立有限元模型,对波纹管的各参数进行数值计算,同时研究有限元分析技术用于波纹管设计的可行性。

　　2　低温波纹管的材料特性

　　波纹管在传输液氧、液氮、液氢之类低温介质时,为了保持其良好的力学性能,所用金属材料应具有如下特性[1]48[2], (1)低温力学性能,特别是有良好的冲击韧度和相对伸长率。(2)金相组织稳定性,以保证零件尺寸与形状的稳定。(3)热弹性效应,材料具有较低的弹性模量温度系数和线膨胀系数,以保证低温下刚度的稳定。

　　为满足这些要求,常用材料为奥氏体不锈钢。虽然奥氏体不锈钢在低温下常处于亚稳定状态,极易发生马氏体相变,并引起体积胀大及残余应力,但经低温深冷处理后,此类材料在低温下能保持较好的塑性元件尺寸和内部组织的稳定性,并有较高的韧性和塑性以及良好的低温综合力学性能和热物理性能。

　　3　波纹管刚度分析

　　波纹管设计计算的性能参数为刚度、应力、有效面积、失稳、允许位移、耐压力和使用寿命等。波纹管刚度是指作用力与该力作用下所引起的位移之比,通常用K表示。K值越小,波纹管柔性越好,但K值过小的话,波纹管可能因变形过大而失稳。另一方面,K值过大,波纹管就难以满足位移补偿的要求。因此,刚度是波纹管的重要性能指标。

　　由于波纹管能承受集中力、压力和弯矩,所以波纹管的刚度按照载荷及位移性质不同,分为轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度等。目前在波纹管的应用中,绝大多数的受力情况是轴向载荷,位移方式为线位移。本文主要进行波纹管的轴向刚度计算。

　　波纹管轴向刚度计算的经验公式[3]为

　　随着温度的变化,金属材料会发生热胀缩,进而引起元件几何尺寸的变化。这种变化可用线膨胀系数α表示。在标准温度(T0= 20℃)时弹性元件的工作长度为l0,当环境温度从T0变化到T时,弹性元件的工作长度

4　波纹管刚度分析的有限元模型

　　4.1　建立有限元模型

　　文献[1]51的波纹管结构参数如表1和图1a所示用有限元软件Ansys建立波纹管有限元实体模型和网格模型如图1b、图1c所示,并选择10节点单元shell63进行计算[4]。