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金属波纹管的使用寿命和哪些因素有关呢?

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     金属波纹管的使用寿命是指在工作条件下使用时,能够保证正常工作的最短工作期限或循环次数。它的额定寿命是在产品设计时定出的预期使用寿命,要求在这段时期内波纹管不允许出现疲劳、失效、损坏等现象。用波纹管组成的弹性密封系统,经常在承受较多循环次数的变动载荷和较大位移条件下工作,金属波纹管的疲劳失效将使系统失效,因此保证波纹管的使用寿命具有重要意义。

    传统的寿命主要是利用EJMA标准中的经验公式进行估算的方法来获取。这种计算方法偏差很大,而且复杂工况下寿命往往只能靠安全系数来修正,不能很好地满足工程应用的需要,因此,需要找到一种更先进的寿命分析方法来进行金属波纹管疲劳寿命分析。文中主要针对u型金属波纹管的疲劳寿命分析来进行研究。

1、有限元分析方法和解决方案

    MSC.Fatigue软件是一个通用性很强的基于有限元分析结果的疲劳分析设计工具,可用来灵活地预测各种复杂零件和结构的疲劳寿命,能够很好地预测出波纹管寿命次数。材料失效前所经历的循环次数不同,高于l0次的为高周疲劳区,低于l0次的为低周疲劳区中,a,=10,a=10。JS表示应变/?Y力,低周疲劳时纵坐标为,高周疲劳时纵坐标为S.高周疲劳主要用全寿命法进行分析,而低周疲劳主要用初始裂纹法来进行分析。波纹管的寿命次数一般在l0~l0次之间,一般同时采用全寿命法和初始裂纹法2种方法来进行分析,然后取其最小值。该次分析实例的疲劳寿命次数在l0次以内,只需采用初始裂纹法分析即可。初始裂纹分析方法通常是基于应变寿命曲线(E—N曲线)理论来进行寿命分析。S—N&E—N曲线在高周区域重合,因为名义应力是线性的。E—N曲线可以用于低周疲劳区,S—N曲线不能,因为线性应力/应变关系无效。

2、疲劳分析模型的创建

    波纹管疲劳失效指的是波纹管在特定载荷和工况下往复运动从而出现裂纹、破裂和泄漏等现象。以4层波纹管为例进行寿命分析,材料为304SS(0Crl8Ni9),波纹数为9,几何尺寸。

2.1读入模型和前处理结果

    在Fatigue软件中,需要通过前处理软件分析出波纹管的应力和应变分布结果,然后根据该结果进行寿命分析。前处理过程的分析非常关键,一般应力或应变和真实值相差10%,寿命就会偏差50%一100%。文中采用二维轴对称模型进行分析,前处理软件采用的是MSC.Mare,对波纹管施加内压至16.5MPa,然后保持不变,压缩波纹管,位移为4mm.是读入模型后的应变结果图。

    在压缩4mm和内压16.5MPa的共同作用下波纹管的最大应变为0.0534,波谷外层为应变最大的位置,以此为基础进行金属波纹管疲劳寿命分析。

2.2设置疲劳分析参数

    2.2.1总体设置.有限元软件中的菜单命令Analysis选用E—N方法Initia—tion;F.E.Results选用Strain作为主要失效形式。从一系列的LCF试验中可以获得应变寿命的关系,它可以用Coffin-Manson-Basquin方程来描述。

    为总体应变;6pl为塑性应变;6el为弹性应变;s为疲劳延性系数;Ⅳf为失数循环次数;E为弹性模量;tf为疲劳强度系数;b为疲劳强度指数;c为疲劳延性指数;s为应变幅。

    其中,Basquin指出高周疲劳,其疲劳寿命跟弹性应变之间符合幂函数关系,Coffin和Manson对于低周疲劳和塑性应变,得到同样的结果,把两者加在一起,就可以得到全应变和疲劳寿命的关系(包括低周和高周疲劳)。

    2.2.2设置位移变化谱

    波纹管在寿命试验时,处于一个压缩循环的过程中,故位移变化谱应该为一个三角波,波峰位置为压缩4mm时刻波纹管位移变化波谱。

    2.2.3关联有限元载荷工况与时间历程

    将波纹管压缩4朋时刻的工况作为疲劳分析时的载荷工况,此时波纹管所承受的应力和应变均处于最大时刻O需将随时间变化的位移谱与有限元载荷工况关联起来,从而模拟出波纹管往复压缩4mm这一虚拟过程。

    2.2.4设置材料信息

    Fatigue软件中提供了大量的材料数据库,常用材料参数均可在里面获取,对于特殊材料产品的寿命分析需要做相关材料的疲劳试验,从而获取对应的s—N曲线和E—N曲线。由于该波纹管采用的材料为304SS,在Fatigue的材料数据库中可以查到,直接调用即可,是304SS材料对应的E—N曲线.

    在选择材料的同时,需选择波纹管的表面光洁度和表面处理形式,使之与真实的环境更加接近。

    2.2.5设置求解参数

    分析方法选择S—W—T方法,即Smith—WatsonTopper法,它是用一个包含每个循环的最大应力和应变损伤参数来修正平均应力,从而更加准确的模拟出波纹管的疲劳过程。其力学模型为一s=(2Ⅳf)。+fsrf(2Ⅳf)¨。式中为最大应力。

    基于该模型可知,S—W—T方法在受拉时趋于保守,在受压时趋于非保守。

    在Stress/Strain结合选项中可以根据该产品的主要失效形式来进行选择。分析中采用的是最大绝对主应力和主应变方式来进行分析,它是对该类型波纹管寿命影响最大的参数。

3、计算结果

    参数设置完之后进行疲劳分析,然后调用所生成的结果,就可以在结果查看选项中读取需要的疲劳结果。可以得出,波纹管的最小寿命为6080次,位于波谷的最外层,而波纹管的波峰处大部分处于无限寿命区。在试验验证中,波纹管的裂纹主要产生在波谷处,软件分析和试验验证的结果基本一致。

4、结论

    根据应变分析计算结果,第一主应变的极值位于波纹管波谷的外层,该部位应是疲劳寿命的控制部位。采用MSC.Fatigue进行疲劳分析,疲劳寿命分布图,最小寿命为6080次,也位于波纹管波谷的外层,与第一主应变的最大位置相对应。

    金属波纹管试验验证寿命为4000~5000次,在波谷处出现了裂纹,而波纹管的其他位置未发生损坏。金属波纹管疲劳寿命软件分析的结果与试验验证对比,误差在20%一40%之间,且薄弱位置与试验验证一致,精度大大高于经验公式的计算结果。

    通过有限元来进行波纹管疲劳分析能够提供零部件表面的疲劳分布图,可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置,通过修改设计,可以避免不合理的寿命分布。因此,有限元分析方法能够减少试验样件的数量,缩短产品的开发周期,提高波纹管的设计水平,确保金属波纹管的设计寿命。    

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