文档介绍：
应用研究
孙启新
董玉平
基于 ANSYS 的 U 形波纹管疲劳寿命分析 59
基于 ANSYS 的 U 形波纹管疲劳寿命分析
孙启新, 董玉平
( 1
淮海工学院东港学院, 江苏连云港
222069)
( 2
山东大学机械工程学院, 山东济南
250061)
摘要: 首先介绍了波纹管的基本特性。在此基础上采用 ANSYS 9. 0 有限元软件对波纹管整体进
行热- 应力耦合分析, 并借助其 Fatigue Tool 估算波纹管的疲劳寿命。将分析数据与实验结果相
比较, 得出波纹管设计中需注意的问题及其解决方法。
关键词: 波纹管; 疲劳寿命; 有限元; 热- 应力耦合分析
中图分类号: TP39
文献标识码: A
文章编号: 1672- 1616( 2007) 09- 0059- 03

波纹管是压力容器和管道系统以及仪器仪表的实际应力循环数; N i 为第i 阶应力水平下的疲劳
中常用的连接、补偿和密封隔离装置。它的特点是寿命; k 为应力谱中应力范围的级数。当 D 值小于
轴向刚度大、径向刚度小, 故能承受较大的轴向位 1 时, 认为被评估对象是安全的, 不会发生疲劳破
移, 同时还能承受一定的内、外压。当轴向力较小坏。D 值等于和大于 1 时, 意味着被评估对象开始
时, 波纹管的变形较小, 其刚度保持不变; 在较大轴破坏和已经破坏。线性累积边损伤理论不考虑不
向力的作用下, 波纹管产生大变形, 其刚度随变形同应力幅作用顺序的影响, 大量实际工程经验证
不断的变化, 此时波纹管的弹性是非线性的。因此明, 当低应力幅的交变循环在前而高应力幅的交变
波纹管的弹性特性既有线性的也有非线性的, 受力循环在后时, 疲劳累积系数可以稍稍大于 1。
分析相当复杂。同时在工作过程中载荷是动态的, 每级应力水平下的疲劳寿命是根据相应材料
载荷的变化规律也较复杂。而作为一关键零部件, 的 S- N 曲线得到。S- N 曲线描述的是应力幅
a
其寿命将严重影响整个系统的性能和寿命, 本文采和该应力幅下开始破坏的循环数 N f ( 即疲劳寿命)
用 ANSYS9. 0 有限元分析软件, 在波纹管整体关系, 它能较准确地描述波纹管材料的高周疲劳循
热- 应力耦合分析的基础上对其进行有限疲劳寿环破坏特性。如图 1 所示, 随着 N 的增加疲劳许
命设计。用应力迅速减小, 但超过 100 万次后最大应力不再
发生变化, 且曲线维持在 350M Pa 处, 该应力称为
1
理论基础完全交变应力下的材料疲劳持久极限。对于铝合
累积损伤是有限寿命设计的核心问题, 疲劳累金试件, 就不能找到这样的材料疲劳持久极限。目
积损伤假设多达数十种, 疲劳分析常用帕尔姆格前有许多种方程可以近似描述 S - N 曲线, 最简
林- 迈格( Palmg ren- M iner ) 假设, 通常称之为线单、最常用的是幂函数形式:
b
性累积损伤理论[ 1] 。Miner 假定载荷循环是正弦
a =
f( 2N f ) ( 2)
形的, 传给试样并被其吸收的全部功都用来产生试式中:
f 是疲劳强度, 是由 S- N 曲线外推到第一
样的破坏( 但不发生应变硬化) ; 存在于各种对