隋國于

摘要：將Solulworks建立的波紋管薄壁模型導(dǎo)入WorkLench中，并對此模型進(jìn)行模態(tài)分析，模擬壁厚對其固有頻率和振型的影響，為波紋管的諧響應(yīng)分析提供了可靠的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：波紋管;有限元;Workheench;模態(tài)分析

1研究背景

波紋管具有柔性高、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等優(yōu)點，在管系中可對軸向、徑向進(jìn)行補(bǔ)償、降噪和減振。目前設(shè)計波紋管時，通常僅計算靜載荷和靜特性，可能會導(dǎo)致波紋管在使用中因共振而遭到破壞。本文利用有限元分析，對波紋管進(jìn)行模態(tài)分析，仿真出不同壁厚波紋管的固有頻率和振型，為波紋管的設(shè)計、安裝和使用提供了具有實際價值的參考。

2U型波紋管幾何模型的建立

U型波紋管是一種截面為波紋狀的圓柱形薄壁殼體，外形似U型波浪，本文采用Solidworks對U型波紋管進(jìn)行建模。建模的過程：（l）在Solidworks中畫出草圖，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1;（2）用曲面功能將草圖旋轉(zhuǎn)成薄壁模型見圖l。

3U型波紋管的模態(tài)分析

3.1有限元模型的建立

本文選用304不銹鋼（ 06Cr19Nil0），其屈服強(qiáng)度as-205MPa，抗拉強(qiáng)度ab=520MPa，密度=7.8kg/cm3，彈性模量E=196CPa，泊松比v=0.3。

因波紋管的壁厚很小，其長度和寬度方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度方向，所以本文采用殼單元劃分網(wǎng)格，這樣可使有限元模型更符合實際，確保結(jié)果更真實有效。因在Solidworks中得到的是薄壁模型，所以在Workhench中不需進(jìn)行抽殼，將模型導(dǎo)人Workhench中賦予壁厚后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型劃分網(wǎng)格后得到62436個單元和61952個節(jié)點，如圖2所示。

3.2邊界條件及求解方法的確定

因波紋管的多數(shù)工況為兩端固定，所以本次分析的邊界條件為兩端固支

（1）壁厚δ=0.6mm，前六階固有頻率見表2，振型見圖3。（2）壁厚δ=0.8mm，前六階固有頻率見表3，振型見圖4。（3）壁厚δ=1.0mm，前六階固有頻率見表4，振型見圖5。

（4）壁厚δ=1.2mm，前六階固有頻率見表5，振型見圖6。

3.3模態(tài)分析的結(jié)果與討論

通過模態(tài)分析得出在兩端固支的情況下不同壁厚波紋管的固有頻率如表6所示。

從表6中可看到：二階與三階固有頻率相同、振型對稱，四階與五階固有頻率相近、振型相似（出現(xiàn)微小差別的原因是模型在劃分網(wǎng)格的時出現(xiàn)網(wǎng)格不對稱的情況）。這是由于波紋管的結(jié)構(gòu)對稱引起的，不同壁厚的U型波紋管的頻率和振型也大不相同，并且隨著階數(shù)提高，壁厚對固有頻率的影響越大。波紋管結(jié)構(gòu)的振動特性的好壞對其各個方面的性能都有重要的影響，振動不但能令波紋管出現(xiàn)疲勞破壞，而且會產(chǎn)生共振，使波紋管出現(xiàn)強(qiáng)度破壞和大位移。通過本文研究可以得出壁厚對波紋管固有頻率的影響，在設(shè)計時利用波紋管壁厚的影響來避開固有頻率和振型，以此來改善波紋管的工作環(huán)境，提高其使用壽命。

4結(jié)束語

本文利用Solidworks建立波紋管的薄壁模型進(jìn)行波紋管的模態(tài)分析。通過限元分析法對波紋管進(jìn)行模態(tài)分析，在Workhench平臺上計算波紋管的固有頻率和振型的云圖，進(jìn)而更直觀地看到波紋管的應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。在相同的工況下，不同壁厚波紋管的固有頻率和振型均不相同。通過本文的研究，改變U型波紋管的壁厚可以避開其共振頻率，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，對波紋管的設(shè)計、制造、安裝和使用具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]萬宏強(qiáng)，汪亮，劉揚(yáng)，等.基于ANSYS的u型波紋管參數(shù)計算與分析[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，28（2）：123-128.

[2]韓淑潔，王心豐.基于ANSYS的u型波紋管振動模態(tài)分析[J].機(jī)械，2004，31（10）：21-23.

[3]韓淑潔，王心豐.u型波紋管振動特性的有限元分析[J].壓力容器，2004，21（11）：23-26.

[4]阿斯耶姆·肖開提.S型焊接金屬波紋管力學(xué)性能分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2012.