基于ANSYS的U形波纹管疲劳寿命分析发表时间：2007-9-12作者:孙启新董玉平:万方数据关键字:ANSYS9.0波纹管疲劳寿命热-应力耦合分析首先介绍了波纹管的基本特性。在此基拙上采用ANSYS9.0有限元软件对波纹管整体进行热-应力耦合分析，并借助其FatigueTool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。波纹管是压力容器和管道系统以及仪器仪表中常用的连接、补偿和密封隔离装置。它的特点是轴向刚度大、径向刚度小，故能承受较大的轴向位移，同时还能承受一定的内、外压。当轴向力较小时，波纹管的变形较小，其刚度保持不变;在较大轴向力的作用下，波纹管产生大变形，其刚度随变形不断的变化，此时波纹管的弹性是非线性的。因此波纹管的弹性特性既有线性的也有非线性的，受力分析相当复杂。同时在工作过程中载荷是动态的，载荷的变化规律也较复杂。而作为一关键零部件，其寿命将严重影响整个系统的性能和寿命，本文采用ANSYS9.0有限元分析软件，在波纹管整体热-应力耦合分析的基础上对其进行有限疲劳寿命设计。1理论基础累积损伤是有限寿命设计的核心问题，疲劳累积损伤假设多达数十种，疲劳分析常用帕尔姆格林-迈格(Palmgren-Miner)假设，通常称之为线性累积损伤理论。Miner假定载荷循环是正弦形的，传给试样并被其吸收的全部功都用来产生试样的破坏(但不发生应变硬化);存在于各种对称因素载荷之间的关系，可以用修正的Goodman图来表示，破坏的判据是形成肉眼可见的裂纹。在上述的假定下用公式表示为:式中:D为疲劳累积系数;ni为第i阶应力水平下的实际应力循环数;Ni为第i阶应力水平下的疲劳寿命;k为应力谱中应力范围的级数。当D值小于1时，认为被评估对象是安全的，不会发生疲劳破坏。D值等于和大于1时，意味着被评估对象开始破坏和已经破坏。线性累积边损伤理论不考虑不同应力幅作用顺序的影响，大量实际工程经验证明，当低应力幅的交变循环在前而高应力幅的交变循环在后时，疲劳累积系数可以稍稍大于1.每级应力水平下的疲劳寿命是根据相应材料的S-N曲线得到。S-N曲线描述的是应力幅σa和该应力幅下开始破坏的循环数Nf(即疲劳寿命)关系，它能较准确地描述波纹管材料的高周疲劳循环破坏特性。如图1所示，随着N的增加疲劳许用应力迅速减小，但超过100万次后最大应力不再发生变化，且曲线维持在350MPa处，该应力称为完全交变应力下的材料疲劳持久极限。对于铝合金试件，就不能找到这样的材料疲劳持久极限。目前有许多种方程可以近似描述S-N曲线，最简单、最常用的是幂函数形式:式中:σf是疲劳强度，是由S-N曲线外推到第一个半循环(2σf=1)的应力幅值;h是疲劳强度指数，是双对数坐标中S-N曲线的斜率。在复杂的弯矩、扭矩、轴向力共同作用下，平均应力不为零，通常要用修正的Goodman图得到平均应力不为零时的等效应力幅，如图2所示。σe为材料的疲劳许用极限，在没有实验依据时，σe可以通过式(3)确定:式中:ka为表面加工系数;kb为尺寸系数;kc为可靠性系数;kd为温度系数;ke为加强因子。它考虑了在阶梯处和开槽处的应力集中，由应力集中因子和材料切口敏感度来计算加强因子ke.σc是根据材料强度极限σb来确定的(σb≤1400MPa时，σe=O.5σb;σb>1400MPa时，σe=700MPa)。另外可以修正S-N曲线，平均应力对应力寿命曲线的影响较复杂，常用的考虑方法是用σf-σm代替式中的σf，即:实际的许用疲劳曲线还需用应力幅安全系数和循环数安全系数来修正疲劳曲线，参照英国BS5500，应力幅安全系数2.2，循环数安全系数取15。2波纹管疲劳分析ANSYS的FatigueTool是专门为设计工程师定制的疲劳快速分析工具，它提供了易学易用的疲劳分析界面环境，只需在ANSYS应力分析的基础上进行疲劳设计仿真。FatigueTool采用广泛使用的应力-寿命方法，综合考虑平均应力、载荷条件与疲劳强度系数等疲劳影响因素并按线性累积损伤理论进行疲劳计算。FatigueTool进行疲劳分析包含3个步骤:材料疲劳性能参数设定、疲劳分析、疲劳结果评估。2.1波纹管热-应力藕合分析由于疲劳分析是以应力分析为基础的，所以首先对波纹管进行热一应力藕合分析，即第一步先对波纹管进行热分析...