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李树勋，朱 禄，徐晓刚，吕 兴 (兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州 730050) 摘要：选取特定工况下截止阀波纹管建立有限元模型，在有限元结构分析基础上研究波纹管在相同压力载荷和轴向位移载荷下结构尺寸的变化对应力分布的影响规律。研究表明，波纹管在压力载荷和轴向位移载荷下，结构尺寸对应力分布影响较大，并且在不同工况下结构尺寸对波纹管应力分布影响不同，相同载荷下波纹管的不同位置应力分布不同。 关键词：截止阀；波纹管；有限元；载荷；应力；结构参数 0 引言波纹管应用广泛[1]。波纹管结构复杂又承受较大变形，其非线性分析十分必要但是非常困难，而且波纹管的疲劳寿命试验成本较高。基于有限元软件ANSYS，可以实现波纹管的非线性分析[2]，也能有效解决波纹管在塑性大变形环境下的载荷问题，可以获得不同结构波纹管的极限载荷，为波纹管设计提供依据[3]。林国栋等提出了阀门用波纹管的设计选型[4]。李杰等通过建立多层波纹管平面轴对称模型和三维模型，运用ANSYS有限元软件对其层间摩擦系数及接触刚度进行分析[5]。但是对于波纹管的结构参数对其性能的影响研究很少。 基于截止阀波纹管承受外压和拉伸压缩特殊载荷，本文采用有限元方法对不同结构的波纹管在相同工况下的应力分布进行模拟分析，得到波纹管结构对波纹管应力分布的影响，对截止阀波纹管的优化设计提供参考。 1 截止阀波纹管应力分布研究有限元模型1.1 截止阀波纹管几何模型 截止阀波纹管是为阀杆与介质提供一个能够轴向伸缩变形的金属隔套，形成动密封，防止阀杆与阀盖接触处泄漏，U型波纹管的结构见图1。  图1 U型波纹管典型结构 PN=2 MPa,DN=10 mm的截止阀使用单层壁厚为0.15 mm的3层波纹管结构，波纹管参数见表1，波纹管材料选择奥氏体不锈钢0Cr18Ni9，具体参数如下：弹性模量E=1.96×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3。 表1 波纹管参数  内径/mm外径/mm波距/mm波厚/mm波数15．7252．61．656 1.2 波纹管有限元模型网格划分 截止阀多层波纹管，由多层薄壳套合而成，是一种复杂的轴对称薄壳，其受力状况是轴对称的[6]，所以对波纹管进行模拟时可选用平面轴对称模型。为了更好地通过非线性模拟分析结构尺寸变化对波纹管性能影响，根据波纹管的实际尺寸建立二维模型，采用规格四边形网格对波纹管进行网格划分，每层径向划分两层网格，建立有限元模型，见图2。  图2 U型波纹管有限元模型 1.3 载荷和边界条件 考虑波纹管在实际工作中承受外压和轴向压缩载荷，因此选取两种工况，具体边界条件见表2。分析过程中不考虑温度对材料的影响，弹性模量为常数，波纹管各层之间接触良好，没有间隙，波纹管的摩擦系数和接触刚度对多层波纹管的分析有影响，参考文献[5]选取摩擦系数为0.2，接触刚度系数选取0.01，采用轴对称模型进行分析计算。 表2 波纹管载荷边界条件  工况载荷边界条件1外表面施加外压，两端固定约束2两端各施加压缩位移0．5mm 波纹管的波峰和波谷径向弯曲应力较大时，波纹管会发生平面失稳[7]。根据EJMA-2000标准，外压U型波纹管平面失稳极限压力按式(1)计算。 p= (1) 式中：K2为平面失稳系数；α为平面失稳影响系数；Sy为波纹管材料理论屈服极限。 为了研究波纹管结构参数对波纹管性能的影响，取波纹管内径、外径为分析对象，采用ANSYS软件对波纹管进行非线性分析，然后利用单因素分析法对波纹管应力分布规律进行分析。计算压力值取小于由式(1)计算得到的波纹管临界失稳压力。 2 结构参数对波纹管应力分布的影响分析2.1 压力载荷下结构尺寸影响分析 取波纹管的内外径为分析对象，其他参数不变，对其径比k=d/D在原有截止阀波纹管基础上进行调整，分别取k=0.581、0.604、0.628，在工况1下进行模拟分析，得到的波纹管应力分布情况，如图3所示。  (a)k=0.581  (b)k=0.604  (c)k=0.628 根据波纹管内外径比的变化，得到相同压力载荷下波纹管的应力分布，见表3。 表3 相同计算压力载荷下波纹管应力分布  k临界压力/MPa计算压力/MPa波纹管最大应力/MPa0．5811．20．5574．370．6041．50．5543．170．6281．90．5535．95 由表3可知，在相同压力下波纹管内径保持不变，外径逐渐减小时，波纹管的等效应力逐渐变小。沿波纹管的轴向在波纹管环面处等分选取9个点，在压力载荷下计算得到9个点的应力值。不同内外径比下的波纹管应力沿轴向分布见图4。由图4可知，波纹管承受压力载荷时应力值从两边到中间先减小再增大，中间最大应力小于直边段应力。因此，需根据实际工况对截止阀波纹管的直边段进行加强。  图4 压力载荷对波纹管轴向应力分布影响 2.2 轴向载荷下结构尺寸影响分析 取波纹管的内外径比k=0.581、0.604、0.628，在工况2下进行非线性分析，得到的波纹管应力分布情况如图5所示。  (a)k=0.581 (b)k=0.604 (c)k=0.628 根据波纹管内外径比的变化分析相同轴向载荷下波纹管的应力分布，见表4。 表4 相同轴向载荷下波纹管应力分布 k轴向位移/mm波纹管最大应力/MPa0．5811295．000．6041343．290．6281456．91 根据表4得到在相同轴向位移下波纹管内径保持不变，当外径逐渐减小，波纹管的等效应力逐渐增大。 根据轴向载荷下波纹管应力分布分析结果，得到波纹管外表面应力分布规律(见图6)，不同结构尺寸的波纹管的应力变化趋势一致，应力峰值出现在波纹管的内表面，波纹管环板处应力较小。 图6 轴向载荷对波纹管径向外表面应力分布影响 3 结论(1)在相同的压力载荷下，随着截止阀波纹管的内外径比的增大，波纹管的峰值等效应力逐渐减小，应力峰值出现在波纹内侧。 (2)在相同的轴向载荷下，随着波纹管的内外径比的增大，波纹管的峰值等效应力逐渐增大。 (3)截止阀波纹管承受压力载荷，其直边段所受应力大于中间波纹段应力，对直边段应根据实际情况进行加强。 (4)由于截止阀波纹管同时承受外压载荷和轴向载荷，根据以上结论，在进行波纹管的设计时应综合考虑阀门的行程以及波纹管承受的载荷，合理选取波纹管的径向尺寸。 参考文献： [1] 王帅，王建军，李楚林，等．考虑层间摩擦的多层波纹管轴向刚度非线性有限元分析[J]．压力容器,2007(12):12-15． [2] 李上青．基于有限元的波纹管疲劳寿命影响因素分析[J]．管道技术与设备，2016(3):34-37． [3] 李航，王海萍，刘兆宾，等．氢主阀波纹管组件的力学性能分析[J]． 机械工程师，2016(1):154-156． [4] 林国栋，李敏，张大林．阀门用金属波纹管的选型及应用[J]．阀门，2007(1):29-32． [5] 李杰，段孜．多层波纹管接触分析及稳定性屈曲分析[J]．材料开发与应用，2011(6):53-57． [6] 巫宗萍，徐兵，羊海涛．阀门用波纹管的应力分析[J]．润滑与密封，2006(11):127-129． [7] 卢志明，钱逸，金忠根，等．波纹管在内压和位移作用下的平面失稳机理研究[J]．管道技术与设备，1999(5):7-8． Influence Analysis of Globe Valve Bellows Structure Parameters on Stress LI Shu-xun， ZHU Lu， XU Xiao-gang， LYU Xing (College of Petrochemical Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China) Abstract:The globe valves bellows in specific working condition was selected as the finite element model. On the basis of the finite element structure analysis, the influence of the structure size of the bellows under the same pressure load and axial displacement load on the stress distribution was studied. The research shows that structure size has large impact on stress distribution when the bellows are under pressure load and axial displacement load. The influence of structural size on the stress distribution of bellows under different working conditions is different. And stress distribution of bellows in different positions is different under same load. Keywords: globe valves; bellows; finite element; load; stress; structure parameter 中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1004-9614(2017)05-0025-03 作者简介：李树勋(1973—)，教授，主要从事高参数控制类阀门基础研究与产品研发。E-mail：gdlishuxun@126.com 基金项目：国家自然科学基金项目(51569012) 收稿日期：2017-02-14 |
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