焊接金属波纹管扭转强度实验与数值仿真研究
焊接金属波纹管扭转强度实验与数值仿真研究
司欢欢 穆塔里夫
新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐延安路62号 830047
摘要: 以新疆乌苏北方新科公司自主研发的2005B-DN55型焊接金属波纹管机械密封装置的关键零部件焊接金属波纹管为研究对象，经过精确地三维建模，对S型两种波片数的波纹管进行了扭转强度数值仿真，得到了它们的应力、应变及变形对比曲线。通过自主设计的专用卡具进行了扭转强度测试实验，对数值仿真结果进行了验证，研究结果为焊接金属波纹管结构参数的优化设计提供了科学依据。
关键词：焊接金属波纹管；扭转强度；数值仿真；实验测试
1引言
焊接金属波纹管机械密封装置广泛应用于石油、化工、航空航天、核能等领域。焊接金属波纹管金属密封装置具有浮动性好，结构简单，按装方便，使用寿命长，泄漏量小，密封性能好等独特的性能优点。波纹管机械密封装置虽然具有许多其它机械密封装置无可比拟的优点，但随着密封尺寸及工作转速的增大，其密封性能将迅速恶化，主要表现为密封端面的变形和温度相互耦合影响，形成密封端面的局部高负荷区并造成液膜气化；同时，波纹管的热变形及动态特性也将会影响密封端面流体膜的稳定性及密封环的非正常磨损、热裂、热变形等；另外摩擦副端面高温还造成密封环碳化、波纹管结焦及失弹和介质泄露等，严重影响密封装置整体性能。图1为焊接金属波纹管机械密封基本结构。
1.密封腔 2.紧固螺钉 3.前环 4.波纹管座密封圈 5.波纹管
6.后环 7.动环 8.静环 9.静环辅助密封圈 10.静止压盖
11.防转销 12.旋转轴
图1 焊接金属波纹管机械密封基本结构
新疆是我国重要的石化产业基地。目前，新疆有独山子石化公司、克拉玛依石化公司等大中型石化企业及正在建设中的独山子大炼油大乙烯等项目。这些项目所采用设备比以往的尺寸大转速高，因此，大轴径高速等工况机械密封在石化业中的应用是发展的趋势，大轴径高转速工况下焊接金属波纹管机械密封的关键零部件焊接金属波纹管的力学性能、可靠性等越来越得到有关企业和科技界的重视，已成为石化企业要解决的重要问题。
焊接金属波纹管是波纹管机械密封装置的关键零部件。焊接金属波纹管在工作压力、轴向力或弯矩作用下产生相应位移，用来补偿间隙。因此，以往人们对焊接金属波纹管承受轴向和横向载荷下的研究关注较多，而焊接金属波纹管在扭转载荷下的研究，则很少有人研究。主要是因为焊接金属波纹管主要用于补偿轴向和横向位移。很少有利用金属波纹管扭转特性场合。而在工作现场随着波纹管的大直径化和大变载荷化下，动静环由于摩擦产生大量的热，并在波纹管轴向预紧力作用下发生粘合，当下次动环运转时由于无法立即分离，会传递给波纹管很大的瞬间扭转载荷。如此反复焊接金属波纹管会在超负荷扭矩的作用下疲劳破坏而失效。如何能让焊接金属波纹管在外界约束条件下能够提高扭转方面的承载能力，本文的提出正是基于此。
本文一方面以S型焊接金属波纹管，型号为DN55型的单膜片和双膜片两种波纹管为研究对象，首先利用Solid Edge 三维建模软件精确地建立三维模型，然后在ANSYS软件中的AWE环境下，利用动力学模块分析了两种型号的波纹管在不同扭转载荷情况下的应力应变变化，得到了焊接金属波纹管随扭转载荷变化的曲线图，为S型焊接金属波纹管的结构优化及扭转疲劳失效计算提供了参考依据。
2 扭转强度数值仿真
2.1焊接金属波纹管的三维实体建模
由于S型焊接金属波纹管曲面较多，在AWE环境下的几何建模模块建模比较麻烦。因此，利用Solid Edge中草图约束与参数化特有功能，通过尺寸约束来实现膜片的变量参数，然后建立零件的精确三维模型，利用AWE的强大接口将所见三维模型导入ANSYS之中。大大节省了时间，提高了工作效率。另外在建立模型时，充分考虑到加工工艺和成型方法。如焊缝形状、焊接装卡方式对波纹管形状的影响。图2为建模流程图，图3为建立的两种波纹管的三维模型。表1为S型焊接金属波纹管的几何参数。
图2波纹管建模流程图 图3 DN55型单膜片（上）和双膜片（下）波纹管
表1 DN55型波纹管参数表
焊接金属波纹管的有限元建模
由于波纹管结构因受扭矩时，有轴对称性。因此在有限元建模过程中，对波纹管模型进
行如下等效处理或简化：不考虑材料缺陷和材料各向同性。不考虑残余应力和厚度减薄的影响，这样使得到的仿真数值更接近波纹管工作场合的真实值。将模型等效为轴对称模型，只取模型的四分之一来作为研究对象。这样简化后得到的结果是真实值的四倍，在与实验值比较分析时，只需将实验值扩大四倍比较即可。不会影响实验结果。同时提高了计算效率，DN55型波纹管的ANSYS有限元模型如图3所示。
划分网格是建立有限元模型时非常重要的一个步骤，分析软件划分网格的能力和质量直接关系到分析结果的正确性和准确性，ANSYS具有良好的网格划分能力，能够完成各种复杂几何的网格划分，有自适应网格，四面体，六面体网格等[3]，并可以对其划分过程和划分参数进行控制。本文采用四面体3mm网格划分,对于单层波纹管则有181710个单元和90466个节点，对于双层波纹管则有351460个单元和185540个节点，网格划分图如图3所示。
图4 单层模型简化 图5单层划分网格
波纹管材料为316不锈钢，对应的牌号是018Ni10(或0Cr17Ni12Mo2)，材料属性为：弹性模量 泊松比,密度=,屈服极限，塑性模量。
由于焊接金属波纹管于动环连接，一端与轴用螺钉固定，另一端自由，主要受轴向压缩、拉伸和扭转三种载荷。所以，本文采用一端固定，另一端受扭矩的情况。
3.焊接金属波纹管的扭转强度数值仿真分析
以横截面绕轴线作相对旋转为主要特征的变形形式，称为为扭转，作用于面垂直于杆轴的外力偶，称为扭力偶，又叫扭矩。其公式为。本文波纹管的扭转载荷加载在波纹管外圆周上，波纹管外半径为70mm。
3.1单膜片波纹管在350N·mm和3500N·mm的扭转载荷下的变形和应力
图6 350N·mm（左）和3500N·mm（右）的扭转载荷下的变形图
图7 350N·mm（左）和3500N·mm（右）的扭转载荷下的应力图
3.2双膜片波纹管在350N·mm和3500N·mm的扭转载荷下的变形和应力
图8 350N·mm（左）和3500N·mm（右）的扭转载荷下的变形图
图9 350N·mm（左）和3500N·mm（右）的扭转载荷下的应力图
以上云图，即两种型号的波纹管在扭矩为350N·mm和3500N·mm的不同载荷下的应力和变形图。当扭矩为350N·mm时，单层波纹管的应力为7.8749Mpa，变形量为0.0092236mm。双层波纹管应力为7.6103 Mpa，变形量为0.0087655mm。当扭矩为3500N·mm时，单层波纹管的应力为78.749Mpa，变形量为0.092236mm。双层波纹管应力为76.103 Mpa，变形量为0.087655mm。从实验数据可以看出在相同载荷下双层波纹管的应力和变形量都小于单层波纹管的应力和变形量。不管单双层波纹管其应力和变形都发生在波纹管的内径处。
4.实验测试
4.1焊接金属波纹管的专用卡具的设计
焊接金属波纹的扭转试验实施难点在于波纹管为薄壁结构，两端夹持并施加扭矩不方便，同时要考虑到扭转负载与轴向位移如何控制与测量。对波纹管的尺寸及连接方式都要有一定的要求，才能较准确的测试出更接近真实的数据。
实验所用的试验机由于夹持机构的限制对于试件尺寸有一定的要求。试验所用的两个波纹管试件是由新疆乌苏市北方科技有限公司提供的型号为DN55型双层和单层两种焊接金属波纹管。外径为74mm，内径为57mm。因扭转试验机所能夹持的的夹头最大直径为25mm。因此就需要设计一套灵活可靠的卡具用于连接试件与扭转试验机。
如图10所示，所涉及的卡具分为左右两半部分，每半部分又有轴和夹头构成。轴头部分用于连接扭转试验机，卡盘用于连接波纹管。左半部分卡盘是利用波纹管端面自带的六个均布螺纹连接。右半部分是通过在波纹管端面铣出一个宽度为10mm的凹槽，深度为7MM。并在右半卡盘上对应的设计出凸缘。凹槽与凸缘镶嵌连接，从而达到传递扭矩的目的。
图10夹具左右两半部分
在卡具的选材和设计时，充分考虑到了卡盘的自身刚度对实验的影响，在卡具加工时的主要技术要求包括轴头与卡盘应保证垂直度和同轴度，左右卡盘再装卡完成后依然要保持两半部分的同轴度。在实验过程中保证连接处不会在加载是产生间隙和松动现象。图11为卡具装配模型。
图11为卡具装配模型
4.2焊接金属波纹管扭转强度实验测试
对于DN55型单膜片和双膜片波纹管试件，分别就其扭转载荷下的应力应变进行试验研究。焊接金属波纹管通过卡具安装在扭转试验机上，左端固定，右端施加扭矩，对两试件分别施加175N·mm、350 N·mm、425 N·mm、700 N·mm的扭矩并逐次增加，扭转试验机的感应装置自动获取扭矩、扭转角和轴向位移，并将信号传送给计算机，记录并自动绘制应力应变曲线图。
5.试验结果对比与结论
5.1实验结果对比
在S型焊接金属波纹管机械密封使用中，由于动静环之间存在预紧力和过热导致的粘合，在启动瞬间会产生较大的扭矩载荷。因此，为探究扭转载荷与应力应变的关系，主要从扭转应力方面对S型焊接金属波纹管进行研究。
图12 波纹管扭矩-应力变化曲线 图13波纹管扭矩-变形变化曲线
5.2结论
（1）基于AWE提供的与CAD软件及设计流程之间无与伦比的整合性，利用主流三维建模软件对试样建立三维模型，然后导入ANSYS中进行数值分析。这样不仅可以实现对波纹管关键尺寸的修改，而且节省了时间，提高了工作效率。
（2）焊接金属波纹管在扭转载荷下应力变形首先发生在内径处，并且在加载很小的扭转载荷下，就会发生扭转变形。
（3）在相同的变形量下，双模片的波纹管比单膜片的波纹管所承受的扭转载荷较大。
（4）从以上图上可以看出，其仿真结果与实验结果基本一致。
所以，在波纹管设计中应充分考虑波纹管的材料、质量和焊接加工工艺，通过以上的分析，为S型焊接金属波纹管的进一步优化，扭转强度分析、工作现场装配和使用提供了更加使用的参考数据。
参考文献
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