金屬波紋管設(shè)計采用數(shù)值模擬技術(shù)能克服工程近似計算公式存在的不足。目前有限元軟件分析,不僅能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力問題,而且可以解熱—結(jié)構(gòu)耦合、機(jī)械—流體耦合等多物理場問題;不僅可以分析線性彈性問題,同時也能解結(jié)構(gòu)、材料的非線性問題。采用三維有限元軟件,可以按照波紋管實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀,建立有限元實(shí)體模型,避免了模型誤差。通過有限元求解,可以了解應(yīng)力和變形的詳細(xì)分布情況,為金屬波紋管分析設(shè)計提供應(yīng)力分析依據(jù)。
針對金屬波紋管結(jié)構(gòu)和載荷特點(diǎn),采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行應(yīng)力分析過程需要注意以下幾點(diǎn):
1)模型
有限元模型可以采用二維或三維模型。如果波紋結(jié)構(gòu)、邊界條件和載荷完全對稱,為了節(jié)約計算資源,可以采用二維有限元模型。三維模型比較直觀,但建立的模型較大,對計算機(jī)硬件要求較高。采用三維有限元模型時,也可根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性,選取1/2或1/4實(shí)體結(jié)構(gòu)建模計算。
模型建立還應(yīng)考慮腐蝕裕量的影響。在金屬波紋管剛投入使用時,其厚度包括腐蝕裕量,在使用壽命后期,其厚度不包括腐蝕裕量。壁厚的變化會影響金屬波紋管的剛度、承壓能力、疲勞壽命和穩(wěn)定性,因此,需建立包括腐蝕裕量和不包括腐蝕裕量的兩種模型同時進(jìn)行計算。
2)載荷
金屬波紋管受到的載荷可以分為兩大類:壓力載荷和位移載荷。其中壓力載荷分為內(nèi)壓和外壓;位移載荷可分為壓力引起的位移和熱脹冷縮引起的位移,這兩種位移載荷可能同時作用,也可能只是其中之一作用。
3)應(yīng)力分類和評定
金屬波紋管有限元應(yīng)力分析結(jié)果,應(yīng)根據(jù)載荷性質(zhì)和分布特性分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力,并采用不同的許用值加以限定。
在環(huán)殼、環(huán)板和直邊圓筒遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處,由壓力載荷產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力屬于一次總體薄膜應(yīng)力,壓力載荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力屬于二次應(yīng)力,溫差導(dǎo)致的位移載荷產(chǎn)生的薄膜和彎曲應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。
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