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塑料波紋管力學特性的研究方法有哪些?

來源:塑料波紋管力學特性 作者:塑料波紋管 發布日期:2018-10-16

  塑料波紋管是一種帶橫向波紋的圓柱形薄壁彈性殼體,因其在轉換、補償、連接和儲能等方麵的功能而在石油、化工、冶金及儀表等領域得到廣泛應用。伴隨塑料波紋管廣泛和特殊的工程應用出現了一係列的力學問題,促使人們對其靜動力特性進行深入和係統的研究。

  塑料波紋管力學特性的研究方法主要有工程計算法、解析法和數值法。

  塑料波紋管力學特性

1.工程計算法

  工程計算法的主要目的是尋求塑料波紋管實用的、簡便的設計方法。這種方法大多采用直梁或曲梁模型對塑料波紋管進行簡化處理,而後應用材料力學的方法給出一些簡單的設計公式和圖表以供工程使用。著名的美國膨脹節製造商協會標準——EJMA標準就是以此作為其應力設計的基礎。在研究塑料波紋管的軸向自由振動特性時,將塑料波紋管簡化為等直杆,由此得到其軸向振動固有頻率的計算公式,並與實驗數據作了對比。將細長比較大的U形塑料波紋管視為簡單支承梁柱,采用Euler公式給出塑料波紋管臨界失穩壓力並附以設計曲線。研究了U形塑料波紋管在內壓和外壓作用下的失穩機理,並給出其平麵失穩臨界壓力公式。對塑料波紋管在外壓作用下的臨界破壞壓力進行了梁式模型理論計算和實驗驗證。應用比擬的方法對EJMA 標準未涉及到的塑料波紋管在端部轉角和橫向位移載荷下的應力作了理論和實驗研究。對塑料波紋管的各種工程計算作了較詳細的闡述。

  總的看來,塑料波紋管的這種杆梁計算模型在工程設計或大係統分析中是有效的,但用於其自身的靜動態分析卻略顯粗糙。

  

2.解析法

  解析法是把塑料波紋管看成由兩個半圓環殼與圓環板組合而成,將其求解問題看成圓環殼與圓環板的求解問題。利用圓環殼和圓環板的線性理論,把圓環殼和圓環板的有關方程式代入連接條件,得到一係列的方程,通過聯立求解,得到了U形塑料波紋管在軸向自由位移與內壓下一係列的剛度及最大彎曲應力曲線及公式,並將其結果作了實驗比較。從Reissner-Meissner軸對稱殼方程出發,提出了細環殼的一個一般解,並利用這個一般解將C形塑料波紋管單元按正負兩個細環殼處理,對其在軸向力和內壓作用下的變形和應力分布進行了係統的計算,提出了工程設計公式。

  將上述方法作了推廣,給出了環殼一般軸對稱問題的精確解,這一方法可處理任意載荷作用下的軸對稱環殼問題。

  

3.數值法

  分析塑料波紋管力學特性的數值法是伴隨著計算機和計算數學的發展而產生的,主要有有限差分法和有限元法等。在研究U形塑料波紋管的非軸對稱彎曲時,將各物理量沿環向用Fourier級數展開,再將其半波沿子午向用有限差分法離散,得到彎矩作用下塑料波紋管應力和剛度變化曲線。安德列娃應用Newton法和差分法對塑料波紋管的非線性特性作了研究,即先用Newton法將Reissner非線性方程化為若幹個線性方程,然後用差分方程代替線性化的微分方程進而獲解。

  有限元法發展到今天,已成為工程數值分析的有力工具,它在塑料波紋管的力學計算中也得到了廣泛應用。這種方法用於塑料波紋管的分析,較之解析法可不受塑料波紋管波形的限製,較之差分法可避免計算的不穩定性,較之實驗法可節約大量實驗費用。

  可以看出,雖然塑料波紋管的靜動力分析已有大量研究成果,但由於問題的複雜性,對諸如石油儲運中廣泛出現的塑料波紋管抗震分析及塑料波紋管與內部流體動力耦合等問題,卻基本無人問津。

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