平面鉸鏈型膨脹節的極限設計法

孫勝仁 戴凌漢 錢才富

(北京化工大學機電工程學院)

平面鉸鏈型膨脹節的極限設計法

孫勝仁*戴凌漢 錢才富

(北京化工大學機電工程學院)

以DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節為例，借助有限元軟件，將壓力容器的極限載荷分析法應用于膨脹節的設計，結果發現：應用極限載荷分析法設計膨脹節，除了能進行強度評判外，也能計算出膨脹節各方向的位移和膨脹節的許用載荷，并可以較容易的對膨脹節進行輕量化設計。

膨脹節 極限設計法 極限載荷 輕量化設計

膨脹節是工程上常用的彈性變形補償元件，隨著工業裝置規模的擴大，大型膨脹節的應用越來越廣泛。另一方面，多數膨脹節結構復雜，除了起補償作用的波紋管外，還配有許多功能不同的結構件。如何合理設計膨脹節，即在滿足變形補償以及強度與剛度要求的條件下使其重量最輕，成為膨脹節設計和研究人員關注的課題。

關于膨脹節結構件的合理設計，已有一些文獻報道。在對鉸鏈型膨脹節端管組件設計研究中，張道偉和王春會利用有限元軟件對比了雙馬鞍板、等高環板及加筋環板等多種條件下端管組件的受力特點，指出在相同條件下使用環板相比使用馬鞍板能減小應力集中，提出了不等高環板的優化設計方案，優化效果明顯[1]。周強和李永生利用有限元分析了外壓軸向型加強筋環板的應力，指出該膨脹節設計的合理性，為膨脹節結構件應力評定提供了依據[2]。張煥東等通過ANSYS模擬膨脹節萬向環的承載能力，指出等質量條件下，方形萬向環的剛度和強度大于圓形萬向環的，為萬向環的選型和優化設計提供了重要依據[3]。李亮和劉化斌利用ANSYS對膨脹節接管撐板組件現有結構進行初步改進探討[4]，對現有結構和改進后結構進行了詳細的應力分析和結果評定，達到了結構優化、節省材料的目的。筆者以平面鉸鏈型膨脹節為例，利用有限元軟件，對比了常規設計和極限載荷分析法的設計結果，并結合正交實驗與極限載荷分析，對膨脹節進行了輕量化設計。

1 平面鉸鏈型膨脹節的常規設計

平面鉸鏈型膨脹節只能吸收彎曲變形，形成角位移。內壓推力和外載荷由鉸鏈承受。平面鉸鏈型膨脹節主要用于“L”和“Z”形管道，其承力結構件主要有主鉸鏈板、副鉸鏈板及鉸鏈立板等。筆者以DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節(空冷系統用)為例進行計算，該膨脹節設計條件如下：

a. 膨脹節的設計壓力為-0.100～0.049MPa。外壓為0.1MPa時，壓力推力為380kN；內壓為0.049MPa時，壓力推力為186kN。

b. 膨脹節應有足夠的剛度，承受外部載荷和真空力時，最大變形量不超過接管外徑的1/500(即Do/500)，相當于4.4mm。

c. 波紋管材料為AISI 321，彈性模量200GPa，許用應力118MPa；鉸鏈部分材料為16MnR鋼，彈性模量200GPa，許用應力157MPa，屈服應力305MPa(依據鋼板標準GB 6654)；其余結構件材料Q235b鋼，彈性模量200GPa，許用應力113MPa，屈服應力225MPa(依據鋼板標準GB 3274)。

所謂膨脹節的常規設計也就是按標準進行設計，目前涉及膨脹節結構件的設計標準有：GB/T 12777-2008《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》、EJMA第9版(含2011增補)《膨脹節制造協會標準》及 EN14719：2009+A1：2012(E)《壓力用金屬波紋管膨脹節》等。按照膨脹節設計標準，DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節的設計過程包括：波紋管的結構設計、應力和疲勞校核；承力結構件的結構設計和應力校核。

常規設計的膨脹節幾何模型、有限元模型如圖1、2所示。圖1中各部位壁厚為：波紋管1.6mm、接管10mm、鉸鏈立板20mm、副鉸鏈板16mm、主鉸鏈板30mm、波紋管1.6mm、端環10mm、筋板10mm、吊耳20mm、內環板10mm。

圖1 膨脹節幾何模型

圖2 膨脹節有限元模型

2 平面鉸鏈型膨脹節的極限分析

在膨脹節的常規設計中，除了需要補償的變形外，并未考慮結構件在載荷作用下的變形，或者說對于膨脹節的設計，標準中并沒有關于膨脹節整體剛度的要求，該條件是由設計方提出的，為了防止因壓力推力和其他外載的作用使得膨脹節結構件變形過大，影響使用和美觀性。然而，要計算膨脹節結構的變形并不容易，特別是一些結構件，基于力學公式的變形計算誤差較大。

采用有限元法能有效計算出各部件的變形，同時，有限元方法已越來越多的應用于壓力容器的分析設計，目前有兩種設計方法：一是應力分類法，例如基于JB 4732-95的設計，但膨脹節中往往包含有許多結構件，而且結構件相互連接或相互接觸，有很多應力集中部位，如果用應力分類法校核膨脹節的強度，局部的虛擬應力較大，應力評定較為困難，也不合理，因為結構件畢竟是受壓件；另一種是極限載荷分析法，例如基于ASME VIII-2，2010中5.2.3節的分析規定，以屈服強度等于1.5S來確定塑性極限，并對在規定中的每一種載荷情況組合完成極限載荷分析，如果達到收斂，元件在此載荷情況在所作用的載荷下處于穩定。

按ASME VIII-2規范，將膨脹節所受所有外載荷和壓力推力擴大1.5倍，并設置各結構件的屈服極限，以極限載荷法進行校核，發現其結果滿足極限載荷應力評定條件。施加原載荷計算位移，同樣滿足剛度條件(軸向位移最大，最大值為3.5mm)。膨脹節軸向位移分布云圖和總體應力分布云圖分別如圖3、4所示，有了膨脹節各結構件的變形和應力分布，就可以容易地根據分析結果調整結構件的形狀和厚度，另外，采用極限載荷分析法還能計算出膨脹節的許用載荷。

圖3 膨脹節軸向(x向)位移分布云圖

圖4 膨脹節總體應力云圖

通過基于有限元的極限載荷分析方法，還可以對膨脹節進行輕量化設計。其方法可以是標準的優化設計方法，即在滿足強度和剛度要求的前提下，使膨脹節重量最輕；也可以采用正交實驗法，即對膨脹節各部件(因素)給予不同的厚度水平，考察各因素對膨脹節強度和剛度影響程度，繼而進行結構輕量化計算[5]。對于DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節，通過正交實驗法輕量化設計的結果見表1，輕量化設計前質量為1 002.95kg，輕量化設計后質量為849.47kg，減輕的質量比為15.25%。

表1 膨脹節輕量化設計結果

3 結論

3.1采用有限元分析，能得到膨脹節各結構件的變形和應力分布，因而可以容易地根據分析結果調整結構件的形狀和厚度。

3.2采用極限載荷分析法進行設計，除能進行強度評判外，也能計算出膨脹節各方向的位移，還能計算出膨脹節的許用載荷。

3.3采用極限載荷分析法也可以比較容易的對膨脹節進行輕量化設計，對于DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節來說，應用極限分析和輕量化設計后，質量減輕15.25%。

[1] 張道偉，王春會.鉸鏈型膨脹節端管組件優化設計[C]. 第十一屆全國膨脹節學術會議膨脹節設計、制造和應用技術論文選集.泰安：中國壓力容器學會膨脹節委員會，2010：38～43.

[2] 周強，李永生.外壓軸向型補償器加筋環板有限元應力分析[C].第十二屆全國膨脹節學術會議論文集.合肥：合肥工業大學出版社，2012：99～103.

[3] 張煥冬，戴凌漢，錢才富，等.兩種膨脹節萬向環的等質量承載能力比較[C].第十二屆全國膨脹節學術會議論文集.合肥：合肥工業大學出版社，2012：94～98.

[4] 李亮，劉化斌.基于ANSYS的膨脹節接管撐板組件結構優化初探[C].第十二屆全國膨脹節學術會議論文集.合肥：合肥工業大學出版社，2012：275～281.

[5] 徐新軍，楊益清，孫斌，等.正交實驗在壓力容器設計中的應用[J].化工機械，2011，38(3)：317～319.

Limit-loadDesignforSingleHingedExpansionJoint

SUN Sheng-ren, DAI Ling-han, QIAN Cai-fu
(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

Taking the design of aDN2 200mm single hinged expansion joint as an example, the finite element limit-load analysis method for pressure vessels was applied to design expansion joint. The results show that applying limit-load analysis method can benefit strength evaluation of the expansion joint, easily calculating its displacement on different directions and allowable load as well as the lightweight design.

expansion joint, limit-load design, limited load, lightweight design

* 孫勝仁，男，1990年12月生，碩士研究生。北京市，100029。

TQ050.2

A

0254-6094(2016)02-0183-03

2015-04-03，

2016-03-18)

聲明

本刊現入編“萬方數據——數字化期刊群”和“中國核心期刊(遴選)數據庫”，作者著作權使用費與本刊稿酬一次性給付，不再另行發放。作者如不同意將文章入編，投稿時敬請說明。