波紋管補償器加壓變形的有限元分析

倪洪啟， 李祥瑞， 王樹強， 王建彬， 王鳳雙

（1.沈陽化工大學機械工程學院，沈陽110142；2.秦皇島北方管業有限公司，河北秦皇島066004）

0 引言

波紋補償器是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件，由波紋管、法蘭盤、接管、導流筒等構件組成。波紋管補償器的工作原理主要是利用自身的彈性伸縮功能，使管道補償由于溫度和機械振動而導致的軸向、徑向以及組合位移，補償的作用具有耐壓、耐溫度、減振降噪的功能，起到降低管道變形和提高管道使用壽命的作用［1-2］。不銹鋼波紋管是波紋補償器的主要組成元件，依靠波紋管伸縮、彎曲來對管道進行軸向、徑向以及組合補償。使其可以起到：1）補償管道軸向、徑向、角向的熱變形；2）吸收設備振動，降低振動對管道的影響；3）吸收地震等自然現象對管道的影響變形量［3］。

常見的補償器有3種：1）大拉桿補償器，可以滿足軸向補償；2）平面鉸鏈補償器，可以滿足鏡像補償；3）萬向鉸鏈補償器，既可滿足軸向補償，也可滿足徑向補償。本文僅對平面鉸鏈補償器進行有限元分析，為波紋管補償器的結構優化，性能提升提供技術支持［4］。

1 補償器三維模型及有限元模型的建立

1）三維模型的建立。根據圖紙，建立平面鉸鏈補償器的三維模型，然后導入到ANSYS中進行分析，三維模型如圖 1（a）所示。

2）有限元模型的建立。由于平面鉸鏈補償器為對稱結構，故采用模型的1/2建立有限元模型，整體采用SOLID187單元，接觸部分采用CONTA174，TARGE170單元。在接管內壁以及兩端施加法向壓力以模擬實際工作環境，大小為 3.1 MPa，在鉸鏈處添加接觸對［5-7］，有限元模型如圖1（b）所示。補償器的力學性能參數表如表1所示。

2 結果分析

2.1 位移分析

圖 2（a）為各節點總位移分布圖。由圖 2（a）可知，最大位移發生在立板底部且靠近對側處，鉸鏈板處應力也較大。在軸向方向上，離中心越遠應力越小；在徑向方向上，離馬鞍板越遠應力越大。從頂部至尾部分別取代表性節點 163、121 053（法蘭盤中間節點），3 627、117 916（接管中間節點），27 369、103 824（馬鞍板中間節點），64 721（銷孔中間節點）。由這7個節點繪制出節點-位移變化曲線，如圖 2（b）所示。

圖1 補償器的三維模型與有限元模型

表1 補償器的力學性能參數表

圖2 位移分布圖及節點-位移曲線

由圖2（b）可知，位移變化整體成對稱分布。在馬鞍板處位移最小，為0mm；在鉸鏈及立板底端處最大，為2.3mm。

2.2 應力分析

圖3（a）為補償器鉸鏈連接處應力分布圖，由圖3（a）可知，最大應力出現在銷軸孔且靠近對側處，最大Mises應力為129 MPa，小于材料的屈服強度，補償器未發生塑性形變，符合要求；最小應力位于馬鞍板處，最小Mises應力0.18 MPa。所以，鉸鏈應力分布范圍大約在0.18～129 MPa之間。圖3（b）為上述節點處的應力分布圖，由圖3（b）可知，兩端應力變化不大，應力主要集中在銷軸孔處。

圖3 應力分布圖及節點-應力曲線

3 結論

1）建立了平面鉸鏈補償器的三維模型，利用有限元的方法，分析了在規定工作壓強下的變形及應力情況。結果表明，馬鞍板處變形較小，銷軸連接板及立板底部靠外側部分變形較大；應力分部也主要集中在鉸鏈處，馬鞍板處應力較小。

2）根據分析結果，實際制造時可在鉸鏈處加厚，如增加鉸鏈板厚度；在銷軸孔直徑不變的前提下增加孔中心與鉸鏈板的距離，以提高安全系數，避免危險發生；其余部分無需加厚，從而降低制造成本。

［1］ 李永生，李建國.波形膨脹節實用技術-設計、制造與應用［M］.北京：化學工業出版社，2000：33-38.

［2］ 郭慧娟，王輝.可膨脹波紋管有限元分析與現場應用［J］.石油機械，2008，36（9）：99.

［3］ 馬偉，李德雨，鐘玉平.波紋管的發展與應用［J］.河南科技大學學報，2004，25（4）：28-31.

［4］ 孫中日，金昌壽，廉哲滿.基于ANSYS的S型波紋管的振動模態分析［J］.機械工程師，2014（7）：133-134.

［5］ 趙繼辰，吳斌，何存富.螺旋波紋管導波檢測技術的數值仿真和試驗研究［J］.機械工程學報，2003，39（2）：1-6.

［6］ 陳龍.水下壓力補償用波紋管的力學性能分析及結構設計[D].合肥：合肥工業大學，2012.

［7］ 王超，林俊，殷國富，等.天平與波紋管系統結構設計與有限元分析［J］.實驗流體力學，2013（3）：77-80.