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。

发布：上海仪欣阀门有限公司｜返回：阀门知识