U形波纹管疲劳寿命研究

　　0　引　言

　　U型波纹管是一种外表面呈波纹形状的薄壁元件,一般由铜合金和奥氏体不锈钢加工制成,是航空、航天、化工、船舶、核工程及各种仪器仪表、调节附件中重要的基础元件。在外载荷作用下产生相应的位移,可作为密封元件、介质隔离元件、连接元件和温度补偿元件等使用。金属波纹管的疲劳失效将使系统失效,因此,保证波纹管的使用寿命具有重要意义[1]。在交变应力下,通常认为疲劳断裂前的循环次数大于104次为高周疲劳,一般用S-N曲线法来计算。本文研究的航空用U形波纹管,要求疲劳寿命104次以上,属于高周疲劳。

　　1　基于梁模型的波纹管应力计算

　　将波峰波谷分别视为两端固定的直梁[2],如图1所示。设A,B两点的距离为h,即波高,波纹管壁厚为δ,材料弹性模量为E,受到均匀分布载荷作用,由材料力学知识可知,最大弯矩Mmax在A,B两点,即

　　该公式也是基于梁模型的计算,考虑了波纹管的形状的影响,其中,Cp,Cf,Cd为波形参数,根据设计结构可从EJMA查出相应数值。

　　2　波纹管寿命计算的经验公式

　　2.1　EJMA经验公式疲劳寿命计算

　　2.2　Kellogg法

　　美国KelloggMW公司根据试验统计并取安全系数为11,得出疲劳寿命公式为

　　由公式可以看出:该方法是保守的,尤其是波纹管壳较薄时,即使在弹性范围内,σ6的值也通常较大,可以得出N的值非常小,与实际差距较大。

　2.3　滨田—竹园法

　　该方法通过对膨胀节进行内压下轴向位移循环载荷得到疲劳寿命公式

　　2.5　名义应力法疲劳寿命计算

　　根据S-N曲线进行分析是最传统的全寿命分析法,它以材料或零件的应力为基础,用雨流循环计数法和Palmgren-Miner线性累积损伤理论,进行全寿命分析。幂函数表达式的S-N曲线为

　　航空用U形波纹管所承受的载荷为非对称循环载荷,可以用Goodman曲线进行修正

2.6　有限元方法疲劳寿命计算

　　MSC Fattgue是一种基于有限元分析结果的疲劳分析工具,尤其是对于复杂零组件,可以方便和较为准确地预测其寿命。它提供的分析方法主要有S-N曲线总寿命分析、ε-N曲线裂纹萌生寿命分析,依据线弹性断裂力学的裂纹扩展分析、疲劳优化分析、焊接寿命分析、多轴疲劳分析等。其分析步骤为:

　　1)总体设置:根据分析的对象,选择分析方法,本文研究的波纹管属于高周疲劳,故选择S-N曲线总寿命分析。