多层波纹管非线性有限元应力分析

　　1　引言

　　多层U型膨胀节是由套合的多层薄壳构成,它具有刚度小、补偿量大和承压高等特点,已广泛应用于压力容器、换热设备、管道、机械、仪表。随着工业部门大量应用U型膨胀节,膨胀节也必然向高压力、大直径、多层化方向发展。

　　迄今为止,波纹管作为膨胀节的关键部件一直为国内外很多研究机构和学者所研究,但多限于单层波纹管,在理论计算上主要也是单层波纹管,多层波纹管的研究限于试验研究方面。由于波纹管本身就是一种较为复杂的轴对称薄壁壳体,且在绝大多数工况下材料处于弹塑性大变形范围内。多层波纹管就更为复杂,不仅涉及材料非线性、几何非线性,而且包括边界非线性(接触问题)。

　　为探讨多层膨胀节的全面特性,解决多层波纹管的设计计算问题,本文采用非线性有限元法,结合接触理论,运用大型有限元软件ANSYS构造了一种新颖、合理的多层波纹管有限元模型。通过仿真模拟多层波纹管载荷—响应状况,结果与试验数据进行比较验证,证明这是一种合理、准确的研究方法。

　　2　接触问题的非线性有限元法

    求解固体力学问题时,必须给定边界条件。然而,在接触问题中,接触体的变形和接触边界的摩擦作用使得部分边界条件随加载过程而变,且不可恢复[1]。这种由边界条件的可变性和不可逆性产生的非线性问题,称为边界非线性问题。

　　接触是一种很普遍的非线性行为,它是边界非线性类型中一个特殊而且重要的子集,是一种高度非线性行为。有限元法在接触问题中的应用始于20世纪60年代末,在工程接触问题中,通常存在有摩擦力,而摩擦力所做的功一般体现为能量耗散,它与加载路径有关[2]。可见,若不考虑摩擦力的影响或不考虑加载过程中摩擦功的不可逆性,就难以准确地反映工程接触问题。

　　ANSYS支持刚体—柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。面─面接触单元有很多优点,如:支持有大滑动和摩擦的大变形,协调刚度阵计算、提供工程目的采用的更好的接触结果,例如法向压力和摩擦应力、没有刚体表面形状的限制等。本文采用了柔体—柔体的面—面接触单元。

　　3　波纹管非线性有限元模型

　　建立一个两层波纹管有限元模型,该模型考虑了波纹管变形的材料非线性、几何非线性以及层间的状态非线性。并利用此模型编制了相应的有限元分析程序,在ANSYS平台上利用该程序对双层波纹管进行有限元分析。

　　3·1　波纹管材料非线性

　　U型波纹管是典型的薄壁壳体结构,常在大挠度情况下工作。当U型波纹管在小载荷情况下,其应力应变成线性关系,但当其承受高压或有较大补偿位移时,结构处于高应力水平,材料纤维有很大的平移和转动,材料不再呈现线性状态。对普通的弹塑性金属材料,使用Von Mises屈服准则,认为应力偏量第二不变量J2达到某一定值时,材料开始屈服。