机械密封用焊接金属波纹管非线性应力分析

    符　号　说　明

    a——圆弧半径,mm

    αi,αo——波纹管内外圆成型角,(°)

    do——焊菇直径,mm

    β——膜片变形偏转角,(°)

    Di,Do——波纹管内外圆直径,mm

    F——波纹管所受轴向力,N

    h——焊菇高度,mm

    p——均布介质压力,MPa

    t——膜片厚度,mm

    Nθ,Nφ——膜片内力,N/mm

    r——膜片径向位置,mm

    Q——剪切力,N/mm

    R——膜片外径,mm

    Mθ,Mφ——膜片弯矩,N·mm

    Ε——膜片材料弹性模量,MPa

    u,ω——膜片径向和轴向位移,mm

    μ——膜片材料泊松比

    εθ,εφ——膜片中面拉伸应变

    λθ,λφ——膜片中面挠率

    uo,u′——外缘焊菇与膜片的径向位移,mm

    θ,θ′——外缘焊菇与膜片的转角,(°)

　　焊接金属波纹管以其耐压性强、寿命长、伸缩性好、耐高温以及结构上的特殊优越性,在密封领域得到了日益广泛的应用。然而由于结构形状复杂,难以得到简单而又准确的位移和应力计算公式。对波纹管进行精确的理论分析和设计,几十年来一直是国内外工程界研究的热点,我国学者在E Reissner和ЛЕАндреева研究的基础上[1～3],以摄动法为工具作了大量工作[4～6]。文献[5]提出了以轴对称圆环壳一般解为基础的摄动求解方法。文献[6]对圆弧形波纹管进行了非线性计算,笔者在此基础上,针对机械密封用焊接金属波纹管的特点,考虑了波纹管内外缘焊菇的影响,对文献[6]中力学模型加以改进,分析计算了焊接波纹管在受轴对称载荷时的非线性问题。

    1　力学模型

    机械密封用焊接金属波纹管结构形状见图1,

由轧制的金属薄板冲压成圆弧波纹形圆环膜片,然后焊接而成。焊菇形状见图2。

根据波纹管的受力状况和变形特点,可截取其中任意1个膜片进行分析。按照标准[7],do=(2.2～3)t。为了准确反映焊接对波纹管受力特性的影响,笔者将膜片分割成3个部分,即外缘焊菇、波纹膜片和内缘焊菇,如图3所示。