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塑料波纹管力学特性的研究方法有哪些?

来源:塑料波纹管力学特性 作者:塑料波纹管 发布日期:2018-10-16

  塑料波纹管是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体,因其在转换、补偿、连接和储能等方面的功能而在石油、化工、冶金及仪表等领域得到广泛应用。伴随塑料波纹管广泛和特殊的工程应用出现了一系列的力学问题,促使人们对其静动力特性进行深入和系统的研究。

  塑料波纹管力学特性的研究方法主要有工程计算法、解析法和数值法。

  塑料波纹管力学特性

1.工程计算法

  工程计算法的主要目的是寻求塑料波纹管实用的、简便的设计方法。这种方法大多采用直梁或曲梁模型对塑料波纹管进行简化处理,而后应用材料力学的方法给出一些简单的设计公式和图表以供工程使用。著名的美国膨胀节制造商协会标准——EJMA标准就是以此作为其应力设计的基础。在研究塑料波纹管的轴向自由振动特性时,将塑料波纹管简化为等直杆,由此得到其轴向振动固有频率的计算公式,并与实验数据作了对比。将细长比较大的U形塑料波纹管视为简单支承梁柱,采用Euler公式给出塑料波纹管临界失稳压力并附以设计曲线。研究了U形塑料波纹管在内压和外压作用下的失稳机理,并给出其平面失稳临界压力公式。对塑料波纹管在外压作用下的临界破坏压力进行了梁式模型理论计算和实验验证。应用比拟的方法对EJMA 标准未涉及到的塑料波纹管在端部转角和横向位移载荷下的应力作了理论和实验研究。对塑料波纹管的各种工程计算作了较详细的阐述。

  总的看来,塑料波纹管的这种杆梁计算模型在工程设计或大系统分析中是有效的,但用于其自身的静动态分析却略显粗糙。

  

2.解析法

  解析法是把塑料波纹管看成由两个半圆环壳与圆环板组合而成,将其求解问题看成圆环壳与圆环板的求解问题。利用圆环壳和圆环板的线性理论,把圆环壳和圆环板的有关方程式代入连接条件,得到一系列的方程,通过联立求解,得到了U形塑料波纹管在轴向自由位移与内压下一系列的刚度及最大弯曲应力曲线及公式,并将其结果作了实验比较。从Reissner-Meissner轴对称壳方程出发,提出了细环壳的一个一般解,并利用这个一般解将C形塑料波纹管单元按正负两个细环壳处理,对其在轴向力和内压作用下的变形和应力分布进行了系统的计算,提出了工程设计公式。

  将上述方法作了推广,给出了环壳一般轴对称问题的精确解,这一方法可处理任意载荷作用下的轴对称环壳问题。

  

3.数值法

  分析塑料波纹管力学特性的数值法是伴随着计算机和计算数学的发展而产生的,主要有有限差分法和有限元法等。在研究U形塑料波纹管的非轴对称弯曲时,将各物理量沿环向用Fourier级数展开,再将其半波沿子午向用有限差分法离散,得到弯矩作用下塑料波纹管应力和刚度变化曲线。安德列娃应用Newton法和差分法对塑料波纹管的非线性特性作了研究,即先用Newton法将Reissner非线性方程化为若干个线性方程,然后用差分方程代替线性化的微分方程进而获解。

  有限元法发展到今天,已成为工程数值分析的有力工具,它在塑料波纹管的力学计算中也得到了广泛应用。这种方法用于塑料波纹管的分析,较之解析法可不受塑料波纹管波形的限制,较之差分法可避免计算的不稳定性,较之实验法可节约大量实验费用。

  可以看出,虽然塑料波纹管的静动力分析已有大量研究成果,但由于问题的复杂性,对诸如石油储运中广泛出现的塑料波纹管抗震分析及塑料波纹管与内部流体动力耦合等问题,却基本无人问津。

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