U形波纹管疲劳寿命有限元分析

【引言】波纹管( Bellows) 是一种轴对称带波纹的管状壳体，在轴向力、横向力和弯矩作用下允许产生较大的变形。一般由奥氏体不锈钢、高镍合金制造，是航空、航天、石油化工、船舶、核工程及各种仪器仪表、调节附件中重要的弹性元件。在实际运行过程中，尤其是开停车及变工况工作时，波纹管在压力以及位移载荷共同作用下，波峰或波谷附近局部区域内的应力超过材料的屈服强度而产生大范围的塑性变形，当塑性变形累积到一定的程度，波纹管局部区域产生微裂纹，微裂纹长大、合并，形成一条或几条主裂纹，波纹管就有可能会出现低周疲劳断裂失效。在低周疲劳分析中常用的是应变寿命方法，也叫应变寿命法或E—N 方法。目前金属波纹管的疲劳寿命一般都是采用EJMA标准中的经验公式，EJMA 中的经验公式是通过大量波纹管的疲劳试验，取试验结果的平均疲劳寿命，拟合疲劳曲线，得出总应力范围与疲劳寿命的关系，这种方法误差较大，而且在波纹管的设计过程中通常要选取一个安全系数才能满足实际工程应用。本文采用ANSYS Workbench的Fatigue Tool 模块对波纹管的疲劳寿命进行了研究，以求为波纹管的疲劳设计找到一种新的方法。