基于Workbench的U型波紋管不同壁厚的模態分析

隋國于

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

關鍵詞：波紋管;有限元;Workheench;模態分析

1研究背景

波紋管具有柔性高、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等優點，在管系中可對軸向、徑向進行補償、降噪和減振。目前設計波紋管時，通常僅計算靜載荷和靜特性，可能會導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，對波紋管進行模態分析，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型波紋管進行建模。建模的過程：（l）在Solidworks中畫出草圖，具體結構參數見表1;（2）用曲面功能將草圖旋轉成薄壁模型見圖l。

3U型波紋管的模態分析

3.1有限元模型的建立

本文選用304不銹鋼（ 06Cr19Nil0），其屈服強度as-205MPa，抗拉強度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遠大于厚度方向，所以本文采用殼單元劃分網格，這樣可使有限元模型更符合實際，確保結果更真實有效。因在Solidworks中得到的是薄壁模型，所以在Workhench中不需進行抽殼，將模型導人Workhench中賦予壁厚后進行網格劃分。模型劃分網格后得到62436個單元和61952個節點，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模態分析的結果與討論

通過模態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（出現微小差別的原因是模型在劃分網格的時出現網格不對稱的情況）。這是由于波紋管的結構對稱引起的，不同壁厚的U型波紋管的頻率和振型也大不相同，并且隨著階數提高，壁厚對固有頻率的影響越大。波紋管結構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疲勞破壞，而且會產生共振，使波紋管出現強度破壞和大位移。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境，提高其使用壽命。

4結束語

本文利用Solidworks建立波紋管的薄壁模型進行波紋管的模態分析。通過限元分析法對波紋管進行模態分析，在Workhench平臺上計算波紋管的固有頻率和振型的云圖，進而更直觀地看到波紋管的應力、應變的分布情況。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，避免出現共振現象，對波紋管的設計、制造、安裝和使用具有指導意義。

參考文獻

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