閥門用金屬波紋管疲勞壽命的分析

金屬波紋管是一種具有橫向波紋和撓性的多功 能薄壁管殼零件, 在外力及力矩作用下能產生軸 向、角向、側向及其組合位移, 既有彈性特性又有 密封特性。在機械、航空航天、石油化工、電力、 汽車、船舶及核工業等工業領域得到了越來越廣泛 的應用。

在金屬波紋管閥門中, 金屬波紋管組件為閥桿 與閥體內的工藝流體之間提供了可軸向移動的金屬 殼體, 形成動密封。金屬波紋管隨著閥桿的移動而 壓縮和拉伸, 確保閥桿密封處在閥門使用的過程中 實現零泄漏, 防止管路介質的損失, 更重要是防止 易燃、易爆、有害介質的滲漏, 保護環境和人員安 全。金屬波紋管的疲勞壽命是指在工作條件下, 能 夠保證正常工作的最短工作期限或循環次數, 一次 循環是波紋管隨閥桿從全開到全閉再到全開的運動過程。金屬波紋管的疲勞破壞是其失效的主要形 式。疲勞破壞是金屬波紋管在循環載荷作用下, 經 過一段時間產生裂縫, 失去密封作用的現象。在閥 門中, 金屬波紋管既承受流體介質的工作壓力, 又 承受閥門開啟、關閉過程中金屬波紋管拉伸、壓縮 所產生的應力。上述壓力、位移而產生的應力獨立 地隨著時間發生周期性變化, 因此閥門用金屬波紋 管的疲勞屬于多軸疲勞。疲勞壽命是波紋管的一項 非常重要的性能參數。影響波紋管壽命的因素主要 有其結構、幾何參數、壓力、行程(位移) 、溫度、 材料、制造工藝及其工作介質等。

隨著計算機技術的高速發展和應用, 以及有限 元理論的逐漸成熟和完善, 應用有限元法進行波紋 管壽命分析成為可能。用有限元分析進行波紋管壽 命分析的關鍵技術就是通過有限元軟件對波紋管進行仿真分析, 從而模擬出應力和應變分布規律以及 最大應力、應變的位置, 再利用仿真分析的結果進 行壽命計算。MSC. Fatigue 是一個通用性很強的 基于有限元分析結果的疲勞分析設計工具, 應用 MSC. Fatigue 可以對金屬波紋管的疲勞壽命進行 分析。

材料的循環特性在波紋管低周疲勞分析時是一 個重要的因素, 其循環軟化或循環硬化特性直接體 現了波紋管穩態時的應變幅的大小, 從而對疲勞壽命結果有著根本性的影響。

金屬波紋管試驗驗證了波紋管波谷處出現了裂 紋, 其他位置未發生損壞, 疲勞壽命軟件分析的結 果正好驗證這一事實, 其精度也大大高于由工程公 式計算出來的結果。

通過有限元來進行波紋管疲勞分析可以在設計 階段比較不同方案的疲勞壽命, 可以校核產品的疲 勞壽命是否滿足設計要求, 還可以進行抗疲勞設 計, 優化產品的壽命。在產品試驗前, 通過疲勞分 析可以確定疲勞危險部位。通過修改設計或改進工 藝參數可以預先避免薄弱因素。因此, 應用有限元 分析閥門用金屬波紋管疲勞壽命, 能夠比較準確的 分析出金屬波紋管的疲勞壽命, 縮短產品的開發周 期, 提高波紋管的設計水平。

發布：上海儀欣閥門有限公司｜返回：閥門知識