非接觸式加強環(huán)間隙對膨脹節(jié)高溫強度的影響

羅炳亮,王 云,閆 朝,楊 蓓

(1.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院,南昌 330063；2.臺州學(xué)院 航空工程學(xué)院,浙江臺州 318000)

0 引言

金屬波紋管膨脹節(jié)可以吸收設(shè)備或管路因壓力或溫度變化而產(chǎn)生的軸向、橫向和角向位移，廣泛應(yīng)用于大型內(nèi)燃機冷卻器、核電、石油化工、航空航天等領(lǐng)域[1-3]。加強型多層波紋管膨脹節(jié)可以用于高溫高壓的工況，但必須同時滿足強度及柔度兩項基本要求[4-5]。在高溫高壓工況下，通常采用加強環(huán)提高膨脹節(jié)可靠性，國內(nèi)外學(xué)者對此也進(jìn)行了廣泛研究。DING等[6]對美國膨脹節(jié)制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)中波紋管膨脹節(jié)計算公式的計算模型進(jìn)行了評價，并對兩種不同材料的波紋管進(jìn)行了擴展和推導(dǎo)，得到不同材料下加強型波紋管膨脹節(jié)的應(yīng)力計算公式。李亮等[7]通過采用有限元分析軟件，對大口徑加強型多層U形波紋管在受內(nèi)壓及位移載荷下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)波紋管外壁與加強環(huán)接觸部分容易形成應(yīng)力集中，裝配時應(yīng)盡量避免加強環(huán)與波紋管尖角接觸。

上述研究都是基于加強環(huán)與波紋管密切接觸的前提來考慮的，設(shè)計規(guī)范也是如此要求，較少有人對加強型多層波紋管膨脹節(jié)中加強環(huán)與波紋管間間隙進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。羅炳亮等[8]通過對加強環(huán)與波紋管的間隙研究，發(fā)現(xiàn)加強環(huán)間隙大小對膨脹節(jié)強度及剛度有較大的影響，并提出一種帶加強環(huán)間隙控制的新型高強度、低剛度加強型波紋管膨脹節(jié)，即波紋管與加強環(huán)之間設(shè)計出合理間隙，可以有效提高加強型波紋管膨脹節(jié)強度性能，拓展了高壓工況下加強型多層波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計方法。

本文進(jìn)一步針對加強型多層U形波紋管高溫高壓工況，基于完全熱力耦合數(shù)值分析方法，深入開展加強環(huán)與波紋管間間隙對膨脹節(jié)高溫高壓下的強度影響研究分析，全面準(zhǔn)確地研究加強環(huán)與波紋管間間隙對膨脹節(jié)性能的內(nèi)在影響，為后續(xù)高溫高壓工況下加強型多層U形波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計方法、規(guī)范的完善改進(jìn)提供依據(jù)。

1 加強型多層U形波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

文中所研究的膨脹節(jié)將應(yīng)用于航空發(fā)動機封嚴(yán)環(huán)試驗臺，在高溫高壓下，不僅要滿足強度要求，同時必須具備足夠的位移補償能力[9]。加強環(huán)的使用可有效提高膨脹節(jié)承載能力，但計算發(fā)現(xiàn)仍然無法滿足該實際工況下的強度要求。同時，加強環(huán)的應(yīng)用使膨脹節(jié)的剛度增加、彈性能力減弱[10]。因此，本文根據(jù)美國EJMA標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[11]，并結(jié)合實際工程需要，重新設(shè)計加強型多層U形波紋管膨脹節(jié)，其結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示。

圖1 加強型波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of reinforced bellows expansion joint structure

該膨脹節(jié)包括半圓截面非接觸式加強環(huán)、法蘭和4層波紋管，其中加強環(huán)與法蘭可為整體結(jié)構(gòu)。加強環(huán)與波紋管波谷形成的間隙形狀為楔形，間隙值W是加強環(huán)與波谷軸向間隙，在制造加工時，通過加塞不同厚度薄墊片控制軸向間隙值的大小。膨脹節(jié)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 加強型波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Basic structural parameters of reinforced bellows expansion joint

波紋管及加強環(huán)的材料為鎳基變形高溫合金GH3625，該材料具有優(yōu)良的耐腐蝕及抗氧化性能，從低溫至高溫均具有良好的拉伸性能及疲勞性能，廣泛應(yīng)用于高溫高壓等場合[12]。GH3625高溫合金部分材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 GH3625材料部分性能參數(shù)Tab.2 Part of performance parameters of GH3625 material

2 加強型多層U形波紋管膨脹節(jié)溫度場數(shù)值分析

2.1 有限元分析模型

由于該膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)形狀及邊界條件均具有對稱性，文中基于有限元分析軟件ABAQUS將膨脹節(jié)簡化為二維軸對稱模型進(jìn)行計算分析，這既能保證計算精度，也可以提高計算效率。作為一種薄壁結(jié)構(gòu)，膨脹節(jié)的有限元仿真計算是高度復(fù)雜的非線性計算，不僅要考慮該結(jié)構(gòu)材料、幾何非線性，而且要考慮波紋管層與層之間的接觸非線性[13-16]。NGUYEN等[17]采用拉格朗日二次變分方程，研究了無摩擦和有摩擦接觸對波紋管強度及穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)對膨脹節(jié)強度及穩(wěn)定性影響較小。劉江等[18-19]在波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對多層波紋管軸向剛度的研究分析中，采用了較好的接觸方法，該方法仿真結(jié)果與理論計算和試驗結(jié)果較為吻合。本文采用同樣的接觸設(shè)置，接觸屬性為切向無摩擦、法向硬接觸。對加強型多層波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力耦合分析時，波紋管層與層之間除了接觸力外，還存在接觸溫度傳遞，故需要設(shè)置合理的傳熱系數(shù)。接觸面間的熱量傳遞與溫度大小、接觸面積、接觸壓力、接觸面粗糙度等密切相關(guān)，目前國內(nèi)外對GH3625材料之間的接觸傳熱研究較少。本文參考其他變形高溫合金在不同工況下的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)，設(shè)置傳熱系數(shù)范圍為10～15 kW/(m2·℃)[20-21]。

2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

基于ABAQUS的熱力耦合仿真方法包括順序熱力耦合和完全熱力耦合兩種計算方法。順序熱力耦合首先對模型進(jìn)行溫度計算，再將溫度分布導(dǎo)入靜力學(xué)分析，該方法可以有效減少計算時間，但無法計算模型變形所引起的溫度變化，因此，本文對膨脹節(jié)采用完全熱力耦合分析，在得到溫度應(yīng)力分布的同時考慮了模型受力變形后對溫度分布的影響。波紋管膨脹節(jié)熱力耦合分析時，設(shè)置邊界條件為一端固定、另一端壓縮2 mm，在波紋管內(nèi)表面施加壓強2.1 MPa及溫度載荷800 ℃，波紋管及加強環(huán)外表面通過自然熱對流與外界空氣(溫度范圍為25～625 ℃)進(jìn)行熱交換。通過不同的空氣溫度實現(xiàn)了波紋管膨脹節(jié)內(nèi)外表面不同溫差，從而得到膨脹節(jié)不同溫差下強度性能隨加強環(huán)與波紋管間隙值的變化規(guī)律。

在仿真過程中，網(wǎng)格數(shù)量、類型、疏密程度和網(wǎng)格質(zhì)量對仿真準(zhǔn)確性具有重大影響。網(wǎng)格數(shù)量越多、其結(jié)果就越接近真實值，但與此同時會增加計算成本。綜合考慮計算效率和求解精度，必須選擇合理的網(wǎng)格數(shù)量，對比不同網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果的影響和保證網(wǎng)格在變密變疏時計算結(jié)果誤差在 5%之后，本文最終確定波紋管的網(wǎng)格單元大小為0.1 mm，加強環(huán)的網(wǎng)格單元大小為0.4 mm。網(wǎng)格劃分的單元類型為CAX4RT,適用于雙線性軸對稱降階積分的位移及溫度求解。該單元具有4個節(jié)點，每個節(jié)點具有2個自由度，其具有模擬溫度、大變形、大應(yīng)變、蠕變和應(yīng)力強化等功能。當(dāng)網(wǎng)格存在扭曲變形時，分析精度不會受到太大影響。膨脹節(jié)模型軸對稱網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 加強型波紋管膨脹節(jié)網(wǎng)格單元劃分Fig.2 Mesh division of reinforced bellows expansion joint

2.3 加強型波紋管膨脹節(jié)溫差計算

由于膨脹節(jié)的加強環(huán)與波紋管之間的間隙對加強環(huán)與波紋管之間的熱量傳遞影響較小，文中暫不考慮間隙變化對溫度分布的影響。當(dāng)膨脹節(jié)內(nèi)表面施加溫度載荷800 ℃，外表面空氣溫度為25 ℃時，膨脹節(jié)整體溫差為97.1 ℃，其中波紋管內(nèi)外表面最大溫差為10.3 ℃，如圖3所示。通過對膨脹節(jié)外表面添加保溫或加熱裝置，提高膨脹節(jié)外表面空氣溫度至625 ℃時，膨脹節(jié)整體溫差為21.3 ℃，其中波紋管內(nèi)外表面溫差為2.3 ℃，如圖4所示。膨脹節(jié)外表面不同的空氣溫度載荷對應(yīng)的溫度分布云圖基本一致。

(a)膨脹節(jié)

(a)膨脹節(jié)

膨脹節(jié)外表面空氣溫度為25～625 ℃時，波紋管的內(nèi)外表面溫差隨膨脹節(jié)外表面空氣溫度變化曲線見圖5。可以看出，隨著膨脹節(jié)外表面空氣溫度的增大，波紋管內(nèi)外表面溫差呈線性減小。

圖5 溫差隨膨脹節(jié)外表面空氣溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of temperature difference with air temperature on the outer surface of expansion joint

3 加強型波紋管膨脹節(jié)熱力耦合分析

Mises應(yīng)力能夠很好地展現(xiàn)出模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，可快速地找出模型應(yīng)力最大位置并且判斷材料是否屈服。李亮等[7]展開了加強環(huán)與波紋管間隙對膨脹節(jié)強度影響分析，但仿真計算時膨脹節(jié)處于均溫假設(shè)，忽略了溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力及熱變形，對加強環(huán)與波紋管不同間隙值下材料的屈服判斷及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布有較大影響。本文基于完全熱力耦合法得到了膨脹節(jié)在內(nèi)壓及位移載荷作用下，不同溫差對應(yīng)的最大Mises應(yīng)力隨加強環(huán)與波紋管間隙值的變化規(guī)律(見圖6)。

圖6 不同溫差下最大Mises應(yīng)力隨加強環(huán)間隙值變化曲線Fig.6 The variation curve of maximum Mises stress with stiffening ring gap value at different temperature differences

由圖6可發(fā)現(xiàn)加強環(huán)間隙存在最優(yōu)值，使膨脹節(jié)強度性能達(dá)到最好。由于波紋管內(nèi)外表面溫差不同，加強環(huán)與波紋管的最優(yōu)間隙取值也不同，波紋管內(nèi)外表面溫差越小，加強環(huán)與波紋管對應(yīng)的最優(yōu)間隙值越大。當(dāng)加強環(huán)與波紋管間隙值保持不變時，通過減小溫差可有效減小膨脹節(jié)的最大Mises應(yīng)力，提高膨脹節(jié)強度性能，且加強環(huán)與波紋管間隙值越大，溫差對膨脹節(jié)強度性能的影響越明顯。因此，在膨脹節(jié)的仿真計算中必須考慮溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對膨脹節(jié)強度性能的影響。

在高溫高壓下，當(dāng)加強環(huán)與波紋管間隙值較小時，由于加強環(huán)與波紋管的軸向膨脹差異，使得波紋管環(huán)板產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致膨脹節(jié)強度性能減弱。通過適當(dāng)增加加強環(huán)與波紋管間隙值，可以有效降低最大Mises應(yīng)力、提高膨脹節(jié)強度性能。然而隨著加強環(huán)間隙進(jìn)一步增大，由于加強環(huán)對波紋管徑向膨脹變形差異，波紋管直邊與波谷相切處存在彎曲應(yīng)力，且間隙值越大、產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力越大。在溫差為2.3 ℃時，加強環(huán)間隙0.05 mm與間隙0.55 mm對應(yīng)的Mises應(yīng)力分布如圖7所示。

(a)間隙0.05 mm

根據(jù)前文分析，當(dāng)加強環(huán)與波紋管無間隙或間隙過小時，應(yīng)力過大無法滿足強度要求，因此加工出加強環(huán)與波紋管預(yù)留0.55 mm間隙的膨脹節(jié)，并在實際工程中加以驗證，最終在實際工況下該膨脹節(jié)(見圖8)滿足強度和彈性要求。

圖8 預(yù)留0.55 mm間隙的金屬波紋管膨脹節(jié)Fig.8 Metal bellows expansion joint with a reserved 0.55 mm clearance

4 結(jié)論

本文基于ABAQUS完全熱力耦合法，對高溫高壓工況下的加強型多層U形波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行強度性能研究分析，得到如下結(jié)論。

(1)合理選擇加強型多層U形波紋管膨脹節(jié)中波紋管與加強環(huán)之間的間隙，可以有效提高膨脹節(jié)的強度性能。

(2)波紋管內(nèi)外表面溫差對加強環(huán)與波紋管間最優(yōu)間隙取值有影響。

(3)當(dāng)加強環(huán)與波紋管間隙值保持不變時，通過減小溫差可以有效減小膨脹節(jié)的最大Mises應(yīng)力，提高膨脹節(jié)強度性能。

(4)加強環(huán)與波紋管間隙值越大，溫差對膨脹節(jié)強度性能的影響越明顯。因此，通過采取對膨脹節(jié)外表面保溫或加熱的措施減小波紋管內(nèi)外表面溫差，適當(dāng)增加加強環(huán)間隙值，可以進(jìn)一步提高膨脹節(jié)強度性能。