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金屬波紋管的發展現狀是什么?

金屬波紋管的發展現狀是什么?

發展現狀
   金屬波紋管這類彈性元件發明的比較早,此類元件與實際生產緊密地結合在一 起。隨著工業革命的發展,蒸汽機的得到了廣泛的應用。在19世紀中期為了保證蒸汽機的安全生產,國外研制出帶有彈性元件的壓力測量儀器。法國人波登在1848年 發明了“波登管”,兩年后制作出了第一臺波登管式壓力表。波紋管式蒸汽壓力測量 儀表是在1870年出現的。20世紀初,美國、英國和德國等國家陸續創建了許多彈性元件專業化工廠。

   美國和前蘇聯在上世紀二三十年代設有專門的研究和研制機構, 對波紋管等彈性元件特性進行了大量的研究工作。 二戰之后,由于科學技術和工業生產的超速發展,金屬波紋管等彈性元件無論 在基礎應論、’設計計算方面,還是在生產制造技術方面都得到了很大的發展和提高 。由于氣動和電動單元組合儀表的廣泛應用,使波紋管類彈性元件進入了大量生產和使用階段。二十世紀6070年代是儀表彈性元件的發展時期,隨著控制系統中儀器儀表的大量使用,波紋管的需求量不斷增加。前蘇聯和美國等國家都有數十家 專業生產廠商,每年產量都在幾百萬以上。
    上世紀80年代以來,科學技術取得了迅猛的發展。儀表彈性元件隨著各種新原 理傳感器和轉換器的出現受到了限制。但是波紋管的可靠性能和穩定性仍然是無可替代的,而且在其他技術領域中得到了全新的應用。隨著金屬波紋管、波紋膨脹節 和波紋管換熱器的出現和大量使用,波紋管被用做連接、補償與換熱元件已成為重要的應用方向。它們已經突破了儀器儀表的范疇,作為柔性連接和熱補償元件, 也可以成為換熱系統的熱交換器。傳統的波紋管類彈性元件已經向更多的領域擴展, 這也成為波紋管的發展趨勢。
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研究現狀
   從上世紀50年代開始,歐美、日本和中國等許多國家都對金屬波紋管進行了大 量的研究工作。對波紋管的分析研究主要分為以下幾種方法:
    1.工程近似法:此方法多采用直梁或曲梁簡化模型對金屬波紋管進行計算處理, 然后利用材料力學的理論做出一些簡單的設計公式和圖表用以工程使用。著名的美國膨脹節制造商協會標準一EJMA標準就是用這種計算方法作為其應力設計計算的依據。 1958年,美國膨脹節制造商協會發布了第一版EJMA標準。當時此版標準僅提到了軸向位移工況,還比較簡單。此后研究人員進行了大量的實驗,將實驗數據匯集整理,EJMA標準也隨之不斷更新和充實,漸漸成為了一套比較完善的能夠 滿足工程應用的標準。 EJMA標準只提出了波紋管靜力學分析中最大應力值的公式,而對波紋管整體應力分布情況卻沒有得到。由于采用的計算模型相對較簡單,所以得到的波紋管 動力學分析和疲勞壽命分析結果都不夠精確。國內許多研究人員也對EJMA標準做了許多研究和完善工作。 近年來,我國波紋管的設計標準主要有中華人民共和國國家發展和改革委員會 2006年發布2007年實施的JB/T 6169-2006《中華人民共和國機械行業標準》、GB/T 12777-99《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》、GB 16749《壓力容器波形膨脹節》和 GB 12522《不銹鋼波形膨脹節》(主要為船用)等標準。這些標準大都是沿用EJMA 標準的設計公式。國外的設計標準除EJMA標準外,還有美國ASME《鍋爐及壓 力容器》第vm卷第一分冊附錄26“壓力容器及換熱膨脹節”、英國BS 6129TARTI 《金屬波紋膨脹節》以及德國國家標準《AD壓力容器規范》B13《單層波形膨脹節》等等。
   2.解析法:這種方法將波紋管視為由兩個半圓環殼和圓環板的組合,把這種求解問題視為圓環殼與圓環板的求解問題。利用它們的線性理論將其有關公式代入 連接條件,形成一系列方程。
   通過聯合求解,求得了波紋管在內壓下剛度與最大彎曲應力曲線的一系列公式,并將所得結果與實驗數據進行比較。解析法所得結果比工程計算法所得結果精確,能夠彌補工程計算法的不足。不過因為波紋管自身即為一種比較復雜的軸對稱薄壁殼體,而且材料在大多數情況下都處于大的彈塑性變形范圍內,因此解析法得到的數值和波紋管組件的實際響應之間存在的誤差較大。 研究人員為了讓兩者之間達到近似的統一,引入了由圖表形式給出的補充系數。此方法現在已經廣泛應用在設計及生產部門。 3.數值分析法:隨著計算機的發展,以計算機為主要手段的有限元法的誕生,使得經典的固體力學迎來了新的活力。有限元方法分析在結構理論分析中應用越來越廣泛,許多商業開發的有限元分析軟件也應運而生。在解決材料非線性、結構非 線性和幾何非線性問題上的突出優勢,使得有限元分析方法被越來越多的設計人員所接受。波紋管彈塑性大變形范圍內的載荷一應力響應問題用傳統的解析法是無法 解決的,但是非線性有限元方法能夠有效地解決這一難題。通過實驗驗證,非線 性有限元計算方法可以有效地模擬出波紋管的真實載荷應力響應。
   此方法用在單 層波紋管的結構分析結果與真實實驗數據比較吻合,所得到的結果是可靠地,F階 段用非線性有限元理論分析單層金屬波紋管的強度,對金屬波紋管使用八節點空間 殼單元進行材料非線性和幾何非線性分析,得到的分析數值比較接近實驗測量數據, 應力的分布規律也與實際情況比較吻合。這種類型的單元比較適合于模擬金屬波 紋管的剛度強度和穩定性等問題。而且隨著不斷地研究,對多層金屬波紋管建立在 內壓、軸向壓力和聯合載荷下的非線性有限元分析模型,分析得到應力分布的問題 也取得了比較大的進展。實踐表明,金屬波紋管層與層之間的關系也可以很好的 通過有限元接觸分析進行模擬。它已經成為了波紋管力學性能分析計算的有力工具。
   目前大多采用軸對稱單元結合非線性有限元的理論計算方法來分析波紋管的各項性能。 隨著理論研究的進行,實驗室的實驗研究也為理論研究的正確性和準確性提供了有力的支撐。主要的波紋管性能和可靠性實驗有內外壓實驗和振動實驗?傊,波紋管的研究方法隨著科學技術的不斷發展也在與時俱進的更新與提高。尤其是計算機的有效利用使得波紋管的研究理論有了長足的進步。并且能更加準確 的分析出波紋管的力學性能、變形趨勢等主要技術參數,從而滿足設計人員和生產 廠家對波紋管生產設計的需要。
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