阀门用金属波纹管疲劳寿命的分析

　
金属波纹管是一种具有横向波纹和挠性的多功能薄壁管壳零件, 在外力及力矩作用下能产生轴向、角向、侧向及其组合位移, 既有弹性特性又有密封特性。在机械、航空航天、石油化工、电力、汽车、船舶及核工业等工业领域得到了越来越广泛的应用。
在金属波纹管阀门中, 金属波纹管组件为阀杆与阀体内的工艺流体之间提供了可轴向移动的金属壳体, 形成动密封。金属波纹管随着阀杆的移动而压缩和拉伸, 确保阀杆密封处在阀门使用的过程中实现零泄漏, 防止管路介质的损失, 更重要是防止易燃、易爆、有害介质的渗漏, 保护环境和人员安全。金属波纹管的疲劳寿命是指在工作条件下, 能够保证正常工作的最短工作期限或循环次数, 一次循环是波纹管随阀杆从全开到全闭再到全开的运动过程。金属波纹管的疲劳破坏是其失效的主要形式。疲劳破坏是金属波纹管在循环载荷作用下, 经过一段时间产生裂缝, 失去密封作用的现象。在阀门中, 金属波纹管既承受流体介质的工作压力, 又承受阀门开启、关闭过程中金属波纹管拉伸、压缩所产生的应力。上述压力、位移而产生的应力独立地随着时间发生周期性变化, 因此阀门用金属波纹管的疲劳属于多轴疲劳。疲劳寿命是波纹管的一项非常重要的性能参数。影响波纹管寿命的因素主要有其结构、几何参数、压力、行程(位移) 、温度、材料、制造工艺及其工作介质等。
随着计算机技术的高速发展和应用, 以及有限元理论的逐渐成熟和完善, 应用有限元法进行波纹管寿命分析成为可能。用有限元分析进行波纹管寿命分析的关键技术就是通过有限元软件对波纹管进行仿真分析, 从而模拟出应力和应变分布规律以及最大应力、应变的位置, 再利用仿真分析的结果进行寿命计算。msc. fatigue 是一个通用性很强的基于有限元分析结果的疲劳分析设计工具, 应用 msc. fatigue 可以对金属波纹管的疲劳寿命进行分析。
材料的循环特性在波纹管低周疲劳分析时是一个重要的因素, 其循环软化或循环硬化特性直接体现了波纹管稳态时的应变幅的大小, 从而对疲劳寿命结果有着根本性的影响。
金属波纹管试验验证了波纹管波谷处出现了裂纹, 其他位置未发生损坏, 疲劳寿命软件分析的结果正好验证这一事实, 其精度也大大高于由工程公式计算出来的结果。
通过有限元来进行波纹管疲劳分析可以在设计阶段比较不同方案的疲劳寿命, 可以校核产品的疲劳寿命是否满足设计要求, 还可以进行抗疲劳设计, 优化产品的寿命。在产品试验前, 通过疲劳分析可以确定疲劳危险部位。通过修改设计或改进工艺参数可以预先避免薄弱因素。因此, 应用有限元分析阀门用金属波纹管疲劳寿命, 能够比较准确的分析出金属波纹管的疲劳寿命, 缩短产品的开发周期, 提高波纹管的设计水平。
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上海仪欣阀门有限公司
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