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1、波紋管熱-應(yīng)力藕合分析
由于疲勞分析是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的，所以首先對(duì)波紋管進(jìn)行熱一應(yīng)力藕合分析，即步先對(duì)波紋管進(jìn)行熱分析，接下來將熱分析所得的溫度場(chǎng)作為體載荷施加在節(jié)點(diǎn)上，對(duì)波紋管進(jìn)行應(yīng)力分析。這樣較全面地考慮了軸向力和流體溫度對(duì)波紋管壽命的響。
波紋管是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其所受載荷和溫度也是軸向?qū)ΨQ的，因此為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)行成本，采用平面模型進(jìn)行分析，波紋管幾何參數(shù)見表1，材料屬性見表2。邊界條件為水蒸氣對(duì)流系數(shù)，取1300W/(m2·℃)，水蒸氣溫度取300℃。
將ANSYS求解方式設(shè)為非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，選用軸對(duì)稱殼單元She1151，定義單元實(shí)常數(shù)、材料屬性和邊界條件，進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。
運(yùn)用Load菜單尋找步熱分析中生成的rth文件，讀取節(jié)點(diǎn)溫度分布數(shù)據(jù)，作為體載荷施加在節(jié)點(diǎn)上。
根據(jù)瞬態(tài)動(dòng)力分析的外載荷施加要求，設(shè)定初始條件，在波紋管軸向方向施加如圖3所示的時(shí)間載荷，圖中LS代表載荷步，如LSl表示步載荷施加過程，其余以此類推。將每一載荷步及其加載控制選項(xiàng)存為一個(gè)文件，然后點(diǎn)取從文件求解菜單進(jìn)行運(yùn)算分析。
圖4為介質(zhì)溫度300℃、時(shí)間在2s時(shí)的波紋管節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖。
從時(shí)間后處理器中定義新時(shí)間變量，然后繪圖顯示節(jié)點(diǎn)1105,1283的應(yīng)力一時(shí)間關(guān)系如圖5、圖6所示，此關(guān)系圖上的應(yīng)力值是按第三強(qiáng)度理論計(jì)算獲得的值。
2、疲勞分析
從節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖4上可看到，波谷和波峰的應(yīng)力變形大，因此破損會(huì)從這兩個(gè)位置開始。所以本文首先選取這兩處的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析，即選取波紋管中間波峰上一個(gè)節(jié)點(diǎn)Node1105和波谷上一個(gè)節(jié)點(diǎn)Node2461。此外為了全面了解波紋管的性能，本文還選取了波峰與波谷之間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)Nodel283進(jìn)行疲勞分析。
根據(jù)圖1波紋管材料疲勞曲線圖，定義材料疲勞屬性，定義節(jié)點(diǎn)數(shù)為3、事件數(shù)為3、每一事件的載荷步為10。節(jié)點(diǎn)1105疲勞分析為事件1，節(jié)點(diǎn)1283為事件2，節(jié)點(diǎn)2461為事件3，取1~lOs中的整數(shù)秒時(shí)間的載荷為10個(gè)載荷步。由于殼單元She1151的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力并不能直接在結(jié)果文件輸出，所以采用手工輸入節(jié)點(diǎn)不同的載荷步的應(yīng)力。將載荷循環(huán)次數(shù)設(shè)為10 000，運(yùn)算求解，將結(jié)果進(jìn)行整理歸納，得到表3.
從表3可得出，由于波紋管的特殊結(jié)構(gòu)，波紋管在波谷、波峰與兩者之間部位的使用壽命存在較大的差別。在波峰、波谷處以剪切變形為主，彎曲變形為輔，在波峰與波谷之間以彎曲變形為主，剪切變形為輔，并且從應(yīng)力圖4可看出，波峰、波谷的應(yīng)力比其他位置的應(yīng)力大得多。所以波紋管疲勞分析的難點(diǎn)在于選擇合適的模型以及對(duì)應(yīng)的單元類型來模擬這些特點(diǎn)。這些在以往的數(shù)值公式中都無法準(zhǔn)確考慮。
3、結(jié)果分析
圖7所示為自制波紋管疲勞壽命實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，采用水壓加壓方式模擬蒸氣閥門工作狀態(tài)，活塞每分鐘往返2次，經(jīng)過52.3h波紋管破損?？傃h(huán)次數(shù)為6276次，與計(jì)算機(jī)分析Node1105結(jié)果非常接近。兩者差距是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)連續(xù)進(jìn)行所帶來的高溫引起材料的硬化和蠕變產(chǎn)生的。因此計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果較接近實(shí)際應(yīng)用。
