阀门用金属波纹管疲劳寿命的有限元分析.pdf

文章编号 100225855 2008 0520030205 作者简介黄乃宁1960 - ,男,教授级高级工程师,主要从事波纹管设计、工艺、试验和应用研究。 阀门用金属波纹管疲劳寿命的有限元分析 黄乃宁1,宋林红1,魏国俭2,李敏1,张秀华1,关长江1,张文良1,赫斌1 1 1 沈阳仪表科学研究院,辽宁 沈阳110043; 21 北京航天动力研究所,北京100076 摘要 应用MSC.Fatigue软件并以应变寿命法分析和得出了阀门用金属波纹管在压力、位 移条件下的疲劳寿命。分析了材料的循环性能对波纹管疲劳寿命分析的影响,并且通过波纹管的 疲劳寿命试验验证了软件分析的准确程度,从而得到精确的分析结果。 关键词 金属波纹管;阀门;循环性能;应变寿命法;疲劳寿命 中图分类号 TH134 文献标识码 A Fatigue life of finite element analysis metal bellows for valves HUANG Nai2ning1, SONGLin2hong1, WEI Guo2jian2, LI Min1, ZHANG Xiu2hua1, GUAN Chang2jiang1, ZHANG Wen2liang1, HE Bin1 1 1Shenyang Academy of Instrumentation Sciences , Shenyang 110043 , China ; 21Beijing Aerospace propulsion Institute , Beijing 100076 , China Abstract This paper applying MSC.Fatigue software , with the strain life asprimary analy2 sis , analyze the fatigue life of the metal bellows for valves , getting the fatigue life of bellows under the condition of pressure and movement.This paper analyze the effect of analysis for bellows fa2 tigue life by the material cycle capability , and validate the analysis accuracy of the software by the fa2 tigue life test of bellows , so get the accurate analysis result. Key words Metal bellows; valve ; cycle capability; Strain life , ; fatigue life 1 概述 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。 2 解决方案 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 03 阀 门 2008年第5期 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。 3 应变寿命理论 根据材料失效前所经历的循环次数不同,高于 5104次的为高周疲劳区,低于5104次的为低 周疲劳区。在高周疲劳区的材料基本没有塑性变 形,影响其疲劳寿命的主要因素是应力幅,故大多 用应力寿命法S - N法进行分析,又叫全寿命 法。而低周疲劳区的材料则大都发生了塑性变形, 影响其疲劳寿命的主要因素变成了应变幅,故大多 用应变寿命法E - N法 , 又叫初始裂纹法。 在足够大的交变应力或应变作用下,金属构件 外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位,都可能因 较大的应力集中引发微观裂纹,分散的微观裂纹经 过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐 渐缓慢地扩展,构件横截面逐步削弱,当达到一定 限度时,构件会突然断裂。相对于全寿命理论不同 的是,若此时该金属构件承受较大的塑性应变,则 宏观裂纹将迅速扩展直至断裂,故应变寿命理论又 叫初始裂纹法。金属波纹管应用领域不一样,使用 寿命要求不同,从几十次到上百万次都有,但大多 数阀门用金属波纹管的使用寿命在2 000～10 000 次之间,故一般采用应变寿命法进行分析。 通常E - N曲线是通过用抛光试件直径6～ 8mm按照国家标准 GB/ T 15248 - 94或类似标准 做试验获取的。测试采用应变控制,测试机器使用 应变片回形输出提供反馈伺服控制。试验样件 材质应均匀一致,加工表面光洁度高而均匀,不能 有明显应力集中部位图1和图 2 。 从一系列的材料轴向等幅低循环疲劳试验 LCF中可以获得应变寿命的关系。总应变-寿 命曲线在数学表达式上也可用Basquin方程和 Manson - Coffin方程的叠加来描述 εtεeεp εe σa E σ ′ f E 2Nf b εp ε ′ f2Nf c εtεeεp σ ′ f E 2Nf ε ′ f2Nf e 式中 εt 总应变幅 εe 弹性应变幅 εp 塑性应变幅 σa 真实循环应力幅 σf′ 疲劳强度系数 E 弹性模量 2Nf 以反向数计的疲劳寿命,为以循环 数计的疲劳寿命的2倍 b 疲劳强度指数 εf′ 疲劳延性系数 c 疲劳延性指数 图1 应变寿命试验 图2 E - N曲线 其中Basquin指出高周疲劳,其疲劳寿命跟弹 性应变之间符合幂函数关系, Coffin和Manson对 于低周疲劳和塑性应变得到同样的结果,把两者加 在一起,就可以得到全应变和疲劳寿命的关系包 括低周和高周疲劳。 4 材料的循环性能与滞后环 在循环载荷作用下,材料的应力-应变关系与 单调加载相比有很大的不同。在横幅对称应变循环 试验中,连续监测σ-ε响应图3 ,可以得到一 系列的应力应变环,这些反映了循环载荷作用下的 132008年第5期 阀 门 应力、应变连续变化情况,通常叫做滞后环。 图3 σ -ε响应 波纹管材料 00Cr17Ni14Mo2 层数 3层 波纹数 11 图4 波纹管的几何尺寸 图3中σ-ε响应随着循环次数的增加,同样应 变幅下,应力幅在不断的增加,一般在循环到一定次 数后,将会形成稳态滞后环。 也有些材料的滞后环一 直都不会稳定。 循环σ-ε响应既有循环硬化现象, 也有循环软化现象,主要和材料及热处理状态有关。 它们之间的关系可以进行数学描述 Δ εtΔ εeΔ εp Δ σ E Δ σ K′ 1 n′ 式中 Δ εt 总应变 Δ εe 真弹性应变 Δ εp 真塑性应变 Δ σ 真应力 K′ 循环强度系数 n′ 循环应变硬化系数 材料的循环应力-应变曲线和滞后环曲线,反 映了材料的循环性能。 5 对比分析 应用有限元分析阀门用金属波纹管疲劳寿命的 一般步骤是用一个结构分析软件进行强度分析,然 后将强度分析的结果读入疲劳分析软件中进行疲劳 寿命分析,即应用MSC.Fatigue软件进行阀门用 金属波纹管疲劳寿命的有限元分析以3层波纹管 为例 , 论证材料循环特性对寿命分析的影响图 4 。 511 强度分析及应变幅 金属波纹管强度分析是寿命分析的基础,一般 强度分析的结果和真实值相差达到10 ,寿命就 会偏差50 ～100 。波纹管的寿命除了与工况有 关系之外,同时受到几何参数、材料性能、成形工 艺及其热处理状态等诸多因素的影响。在几何建模 时这些因素都需要考虑,例如液压成形时管壁的壁 厚减薄和加工硬化等因素。由于在低周疲劳分析时 需要考虑材料的循环性能与滞后环因素,在一定数 量的循环后滞后环趋于稳定。需要分析滞后环在几 次拉压后能够趋于稳定,从而获取稳态时的应变 幅。 分别以波纹管压缩318mm、内压7MPa和压 缩318mm、外压14MPa的2种压力、位移条件分 别分析循环性能和滞后环。图5和图6分别是2种 压力、位移条件下最大应变位置处的等效塑性应变 随时间的变化规律。 图5 内压7MPa时的应变-时间规律 图6 外压14MPa时的应变-时间规律 由图5和图6可以看出,波纹管在压缩过程中 23 阀 门 2008年第5期 都产生了不同程度的循环软化现象,并且逐渐趋于 平衡,在压缩至第10次时,已经接近于平衡状态。 为了降低计算代价,将第10步时的应变幅作为循 环稳定时的应变幅,此时加载内压7MPa时的应变 幅为初始状态的0132倍,而加载外压14MPa时的 应变幅为初始状态的0127倍。获取的这一比例因 子将用在疲劳寿命分析中。 512 疲劳寿命分析 强度分析计算后,可以将强度分析的结果载入 疲劳分析软件中进行寿命分析。在寿命分析中需要 考虑应力和应变集中系数、表面加工、表面处理、 载荷模式、材料参数以及平均应力修正方法等诸多 因素,使之尽量反应真实情况。在设置载荷-时间 历程时,分别采用了考虑材料循环特性和不考虑材 料循环特性2种方案,以方便进行对比。 在应变-寿命分析中,平均应力修正方法一般 有2种 Morrow修正和SWT修正。Morrow修正 是根据每一循环的平均应力来上下移动弹性寿命, 而SWT修正是用一个包含每一循环的最大应力损 伤参数, SWT修正比Morrow修正更大。相对于 Morrow修正来说, SWT修正在受拉时趋于保守, 在受压时趋于非保守,一般取较为保守的修正方 法。 513 疲劳寿命试验 对于软件分析的结果应用金属波纹管实物的疲 劳试验进行验证。应用微机控制液压伺服动静试验 机、数控稳压压力系统和专用试验装置进行金属波 纹管压力及位移条件下疲劳寿命试验。以波纹管压 力及位移条件下的试验说明疲劳寿命的试验过程。 金属波纹管 3 层在外部压力1410MPa、压缩位 移318mm引起的交变应力或应变作用下,在波纹 管的最大应力或应变位置处,即波纹管波谷的外层 处,随着交变应力或应变的作用,逐渐产生微裂 纹。随着疲劳次数的不断增加,微裂纹不断扩展, 在3层波纹管波谷的外层逐步形成裂缝。随着疲劳 次数的继续增加,在3层波纹管波谷的中间层、内 层微裂纹不断扩展,逐步形成裂缝。3层波纹管波 谷3层均形成裂缝后,压力液体从裂缝泄漏,记录 波纹管泄漏时试验的疲劳次数,该次数即是金属波 纹管疲劳寿命。 514 软件分析与试验结果对比 在寿命试验后,可以对其结果进行分析和对 比。图7和图8分别考虑材料循环特性时波纹管受 内压和受外压工况时的波纹管局部寿命分布图。 图7 受内压7MPa时的寿命图 图8 受外压14MPa时的寿命图 由图7和图8可知,波纹管最小寿命位置都集 中在波谷外壁,受内压7MPa时的最小寿命为 19 700次,而受外压14MPa时的最小寿命4 400 次,均与试验验证数据比较接近。表1分别是考虑 材料循环特性和不考虑时的软件分析与试验结果对 比。 表1 软件分析与试验结果对比 压力、 位移 内压7MPa , 行程318mm 外压14MPa , 行程318mm 初始设计寿命500次500次 不考虑循环特性时的寿命201次165次 考虑循环特性时的寿命19 700次4 400次 试验结果的平均值33 004次6 947次 软件分析考虑循环特性 与试验结果对比 1168倍1158倍 由表1的结果对比可以看出,材料循环特性对 计算结果的影响较大,合理的利用这一因素,将使 计算结果更加准确。而不考虑材料循环特性的精度 和试验结果相差甚远,达不到精确设计的目的。 6 结语 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 332008年第5期 阀 门 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。 参考文献 〔1〕 徐开先.波纹管类组件的制造及其应用 〔M〕.北京机械 工业出版社, 1998. 〔2〕 周传月,等. 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