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波纹管失稳的有限元计算

文章出处:责任编辑:河北华洁人气:909发表时间:2017-03-20 10:32:30
 

  波纹管在内压作用下失稳是常见的失效现象,美国膨胀节制造商协会标准,将波纹管的失稳分为柱失稳和平面失稳两种形式,并给出了极限设计内压的计算公式,与标准中应力计算公式由壳体弹性理论的精确解导出不同,这两个公式的依据出自认为假设,属于经验公式,这种人为设想的失效机理是否合理,公式的误差范围有多大还需研究。
  有限元软件一般提供两种失稳分析方法,即特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,上节两个失稳实例是用特征值分析计算的,特征值法是弹性分析,不能用于出现塑性变形的结构,由于波纹管的柱失稳和平面失稳都可能在塑性状态下发生,因此本文采用了非线性屈曲分析,材料模型为弹性理想塑性体。本节算例假设材料的弹性模量为2x10MPa,屈服应力为230MPa,有限元软件为ANSYS,采用Shell 51壳单元,进行非线性屈曲分析需要给波纹管设置初始缺陷,使其成为非轴对称体,初始缺陷可以是波纹局部材料不均匀或形状不规整,造成失稳的极限内压用弧长法计算。
  4.1柱失稳
  波纹管几何参数:内径150mm,波高25mm,波距25mm,壁厚0.5mm,10个波。用公式计算的极限内压为0.17MPa(已加安全系数)。
  4.2平面失稳
  波纹管集合参数:内径300mm,波高30mm,波距30mm,壁厚0.8mm,4个波。用公式计算的极限内压为0.63MPa(已加安全系数)。
  4.3小结
  用非线性屈曲分析既可以得出柱失稳又可以得出平面失稳,从侧面说明这两种失稳机理相同,波纹管最终发生何种失稳因波纹参数而定(主要是波数)。