有限元分析在波纹管平面失稳中的应用研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 03 日 作者简介：梁长记（1983），男，汉族，河北沧州人，研究生，职员，高级工程师，研究方向为机械设计制造。-1-有限元分析在波纹管平面失稳中的应用研究 梁长记 核工业理化工程研究院，天津 300000 摘要：摘要：波纹管作为一种关键的工业组件，其结构稳定性对保障系统安全运行至关重要。平面失稳作为一种常见的结构失效模式，其预测和控制一直是工程界的难题。为了解决这一问题，本文首先回顾了波纹管平面失稳的物理背景和工程意义，明确了研究的重要性和应用前景，详细介绍了波纹管失稳的基本原理，并系统阐述了有限元方法的理论基础、关键技术和实施步骤。通过建立准确的有限元模型，并对材料特性和边界条件进行细致设定，本文对波纹管在不同工况下的平面失稳行为进行了模拟和分析。结果显示，有限元分析能够准确预测失稳发生的临界条件，揭示了影响失稳的主要因素，为波纹管的设计优化和失稳预防提供了有力的理论支撑和实践指南。关键词：关键词：波纹管；平面失稳；有限元分析；技术实践 中图分类号：中图分类号：TH122 0 引言 波纹管是众多工业系统中不可或缺的组件，尤其在石油、化工和航天等领域，波纹管的稳定性直接关系到整个系统的安全与可靠性1。然而，由于其独特的波纹结构，平面失稳成为了限制其性能发挥的一个主要问题。尽管传统的理论和实验研究为理解和预防这一现象提供了一定的基础，但高成本、低效率及难以模拟实际复杂条件的局限性始终存在。鉴于此，本文提出应用有限元分析方法来研究波纹管的平面失稳问题，旨在提供一种更为精确、高效和经济的解决方案。1 波纹管平面失稳的背景和重要性（1）波纹管作为一种重要的工业组件，广泛应用于石油、化工、航空航天等多个领域，特别是在高温高压和振动环境中，它们因具有良好的弹性和补偿能力而变得不可或缺2。然而，波纹管的平面失稳问题一直是工程设计和安全运行中的一个重要挑战。平面失稳是一种结构失效模式，指的是在受到超过其承受能力的压缩力时，波纹管发生突然且剧烈的侧向变形。这种现象不仅会导致波纹管的即时功能失效，还可能引发连锁反应，威胁整个系统的稳定性和安全性。（2）波纹管平面失稳问题的重要性源于其广泛的应用。在现代工业中，波纹管被用作连接管道、泵、阀门和其他设备的关键组件，任何失效都可能导致严重的经济损失和安全事故。随着工业技术的发展，对波纹管的性能要求越来越高，尤其是在极端工作条件下。因此，理解和预防平面失稳不仅有助于提高波纹管本身的可靠性和寿命，也对保障整个系统的稳定运行至关重要。从技术和科学的角度来看，波纹管平面失稳涉及复杂的力学和材料行为，其失稳机理和影响因素多样，包括材料性质、几何形状、加载条件和环境因素等。这些因素相互作用，导致波纹管的失稳行为具有高度的非线性和不确定性。因此，深入研究波纹管的平面失稳现象，不仅对工程应用具有实际意义，也对推动力学理论和材料科学的发展具有重要价值。然而，尽管波纹管平面失稳的问题及其重要性已被广泛认识，但由于其复杂性，传统的理论分析和实验研究仍存在许多限制。例如，理论模型往往基于简化的假设，难以准确描述实际复杂条件下的失稳行为；而实验方法则通常需要昂贵的设备和大量的时间，且难以全面模拟实际工况。因此，探索一种既能精确模拟波纹管在实际应用中的复杂行为，又能高效、经济地进行大规模分析的方法，对于解决波纹管平面失稳问题具有重要意义。2 波纹管平面失稳的基本原理分析 波纹管平面失稳是一个涉及多个力学领域的复杂现象，它与材料力学、结构稳定性和动力学等多个学科紧密相关3。为了深入理解波纹管平面失稳的基本原理，必须从波纹管的结构特性、失稳的物理机制以及影响失稳行为的关键因素等多个方面进行综合分析。中国科技期刊数据库 工业 A-2-首先，从结构特性来看，波纹管是由一系列连续的波纹形成的管状结构，这些波纹可以提供良好的弹性和补偿能力。然而，这种独特的结构形态也使得波纹管在受到轴向压缩力时容易出现侧向偏移，即所谓的平面失稳现象。在失稳发生时，波纹管的一部分或整个结构会突然发生大幅度的侧向变形，严重时甚至可能导致整个结构的崩溃。其次，从失稳的物理机制来看，波纹管平面失稳的本质是结构稳定性的丧失。当外部加载达到某一临界值时，原本平衡的结构状态变得不稳定，小的扰动就可能导致大幅度的结构变形。这一过程通常涉及材料的非线性行为、几何非线性以及结构动力学响应等复杂因素4。具体而言，材料的非线性包括塑性变形、损伤和疲劳等，它们会影响波纹管的承载能力和失稳行为；几何非线性则主要指由于大变形引起的几何形状改变，这会改变载荷和变形之间的关系，从而影响结构的稳定性；结构动力学响应包括由于外部或内部激励导致的振动，这些振动可能会触发或加剧失稳现象。最后，影响波纹管平面失稳行为的因素众多，包括波纹管的几何尺寸（如波纹的高度和间距）、材料属性（如弹性模量和屈服强度）、加载条件（如压缩速度和加载历史）以及环境因素（如温度和腐蚀）。这些因素相互作用，共同决定了波纹管的失稳模式和临界失稳载荷5。例如，波纹的几何尺寸直接影响其刚度和稳定性，较高或较密的波纹可能具有更高的稳定性；材料属性则决定了波纹管在受力时的变形能力和破坏模式，不同的材料可能会导致不同的失稳行为；加载条件的变化会影响失稳过程的动态特性，快速加载可能导致更加剧烈的失稳响应；环境因素如温度升高可能会降低材料的强度，使波纹管更容易失稳。3 有限元分析的基本原理 有限元分析（FEA）是一种强大的计算工具，广泛应用于工程问题的解决，尤其是在处理复杂的结构和材料行为方面。它通过将一个大的系统划分成小的、简单的、形状规则的部分（即元素），每个部分都可以被系统地用数学方程描述并解决。通过这种方式，FEA 能够提供对复杂结构响应的深入洞察，包括波纹管在内的多种工业应用6。3.1 有限元分析的概述和基本步骤 第一，建立几何模型。分析的第一步是创建待分析物体的几何模型。对于波纹管，这意味着需要精确地表示其复杂的波纹形状。在现代 FEA 软件中，这通常通过 CAD（计算机辅助设计）工具完成。第二，划分网格。几何模型被划分成许多小的、简单的元素，通常是三角形或四边形（2D 问题）或四面体或六面体（3D问题）。每个元素都连接在节点上，这些节点是系统方程的未知数。网格越细，结果越精确，但计算量也越大。第三，选择元素类型和材料模型。不同类型的元素（如杆元、壳元、实体元）可以模拟不同类型的物理行为。此外，材料模型确定材料如何响应力和变形，包括弹性、塑性、疲劳等行为。第四，施加载荷和边界条件。加载包括施加在结构上的力、压力、热流等。边界条件定义了结构的约束，如固定支撑或对称面。第五，求解。FEA 软件通过建立和求解一系列代数方程来模拟实际物理问题。这些方程基于能量原理或力平衡原理，描述了元素间的相互作用和响应。第六，结果解释。最后，软件提供变形、应力、应变等的计算结果。工程师必须解释这些结果，以做出设计决策或进一步分析。3.2 材料特性和边界条件的设定 在 FEA 中，正确的材料模型是至关重要的。对于波纹管等结构，通常需要考虑以下几点：第一，弹性属性。如杨氏模量和泊松比，其定义了材料在弹性范围内的行为。第二，塑性属性。当材料超过其屈服强度时，会发生塑性变形。塑性模型（如冯米塞斯屈服准则）描述了这一行为。第三，动态属性。对于受到动态加载的结构，如冲击或振动，需要考虑材料的密度和阻尼特性。第四，疲劳特性。长期循环载荷下的材料行为，对于预测波纹管等结构的寿命至关重要。正确选择和定义这些属性对于模拟的准确性至关重要。通常，这些数据来自实验测试或材料供应商。边界条件定义了结构如何与其环境相互作用。在分析波纹管时，需要考虑以下类型的边界条件：第一，固定支撑。某些节点或面不能移动，模拟波纹管的固定端。第二，对称条件。如果结构是对称的，可以只分析一半或一部分以减少计算量7。第三，载荷。包括内部压力、温度负荷或外部力，它们可能会导致失稳。第四，接触。波纹管可能与其他部件接触，需要正确模拟这些接触条件。在设定边界条件时，过于简化或过度约中国科技期刊数据库 工业 A-3-束都可能导致不准确的结果。例如，过度约束可能会人为地增加结构的刚度，导致低估失稳风险。3.3 有限元分析 进行有限元分析时，材料特性和边界条件的选择不是孤立的。它们必须相互匹配，反映出待分析物体在实际工作环境中的行为。例如，如果波纹管在高温下工作，材料属性应反映出高温下的性能变化，边界条件也应考虑热膨胀等效应。此外，实际工作条件下的不确定性，如材料缺陷、制造公差和实际载荷的波动，也应在分析中考虑，以确保结果的安全性和可靠性。在实际应用中，FEA 是一个迭代过程。初始分析后，可能需要调整模型的几何形状、网格、材料属性或边界条件，以更准确地反映实际情况。此外，FEA 结果通常需要与实验数据进行比较和验证，以确保模型的准确性。通过这种方式，FEA 成为了一个强大的工具，不仅可以帮助理解复杂的工程问题，还可以指导设计和优化，提高结构性能和安全性。4 有限元分析在波纹管平面失稳中的应用 4.1 模型建立与验证 在使用有限元分析研究波纹管平面失稳之前，首先需要建立一个准确的数学模型。这个过程包括定义几何形状、材料属性、边界条件和加载情况。波纹管的复杂几何形状通常需要高精度的 CAD 模型。波纹的每个细节都可能影响失稳行为，因此在建模时需要特别注意尺寸的准确性和细节的表达。波纹管的材料通常是金属或合金，具有弹性、塑性、甚至可能的蠕变和疲劳行为。准确定义这些属性对模拟结果的准确性至关重要。波纹管在实际应用中可能会遇到多种加载情况，包括内部压力、轴向压缩、弯曲和扭转等。同时，边界条件如固定、铰接或滑动支撑也需要准确模拟。建立模型后，需要通过实验数据或理论解进行验证。这可能包括对简化模型的分析，或者与先前发表的研究结果比较，确保模型能够准确预测波纹管的行为。4.2 失稳分析与预测 使用有限元分析进行失稳分析涉及对波纹管在各种条件下的响应进行模拟，以预测其失稳点。波纹管在实际工作中可能会遇到复杂的加载路径，包括渐增的压力、循环加载或突然的冲击。分析这些不同的路径对理解失稳行为至关重要。FEA 可以帮助识别不同的失稳模式，如屈曲、屈曲后行为和局部失稳等。这对于设计波纹管以抵抗特定类型的失稳至关重要。通过分析波纹管在不同加载下的响应，可以预测其临界失稳条件。这包括临界压力、临界载荷和相应的变形模式。FEA 还允许进行参数研究，以了解不同因素（如材料性能、几何尺寸、载荷条件）对失稳行为的影响。这有助于优化设计，提高波纹管的稳定性。4.3 结果应用与结构优化 有限元分析的最终目标是提高波纹管的设计和性能。通过分析结果，可以对结构进行优化，以提高其稳定性和安全性。基于失稳分析结果，可以调整波纹管的几何形状、材料选择或制造工艺，以增强其抵抗失稳的能力。例如，通过增加波纹的高度或厚度，或选择更高强度的材料，可以提高其稳定性。FEA 结果可以用于评估波纹管在实际应用中的安全系数，确保即使在最不利的条件下也不会发生失稳。通过敏感性分析，可以确定哪些参数对失稳行为最为敏感，从而指导更有效的设计改进。结合失稳分析结果，可以进行FMEA，评估不同失效模式对整个系统的潜在影响，以及采取的预防措施。5 结束语 综上所述，通过对波纹管平面失稳问题的有限元分析，本文提供了一种理解和预测此类复杂现象的新方法。研究结果不仅证实了有限元方法在分析波纹管失稳问题中的有效性和准确性，而且为工程设计和安全评估提供了宝贵的参考。通过对不同工况下波纹管失稳行为的模拟，本文揭示了影响其稳定性的关键因素，为改进波纹管设计提供了理论依据和实际指导。未来的工作将致力于解决这些问题，进一步提高模型的实用性和普适性。此外，鉴于波纹管在多种工业应用中的广泛使用，将有限元分析方法扩展到其他相关领域，如疲劳分析、多物理场耦合等，也是未来研究的重要方向。总之，本文的研究不仅为波纹管平面失稳问题提供了新的解决思路，也为有限元方法在复杂工程问题中的应用开辟了新的应用道路。中国科技期刊数据库 工业 A-4-参考文献 1倪洪启,尹思佳,宋红伟.基于 ANSYS 的波纹管波形参数对平面失稳影响的分析J.管道技术与设备,2023(5):28-32.2杨玉强,杜辉,张垒,等.拉伸位移下平面失稳波纹管的疲劳寿命研究J.压力容器,2019,36(4):63-68.3曾滔,董雨晨,王天昊,等.极化中子散射零磁场屏蔽体的有限元分析J.物理学报,2023,72(14):50-60.4牛草,顾广鑫,朱磊,等.车载导弹发射架结构有限元分析与拓扑优化设计J.兵工学报,2023,44(2):437-451.5 王 凯,陆 钇 霖,刘 厚 林,等.复 杂 工 况 下 深 海 采 矿 混 输 泵 有 限 元 分 析 J.排 灌 机 械 工 程 学报,2023,41(4):331-337.6刘京红,李文坡,张凌博,等.承插型盘扣式钢管支撑脚手架试验及有限元分析J.北京理工大学学报,2023,43(5):478-484.7刘祖强,任甭优,薛建阳.高强型钢超高性能混凝土梁受弯性能试验研究及有限元分析J.工程力学,2023,40(4):102-115.