基于ANSYS的无加强U形波纹管刚度计算.pdfVIP

第1期（总第242期）机械工程与自动化No.1

2024年2月MECHANICALENGINEERING＆AUTOMATIONFeb.

文章编号：1672-6413（2024)01-0043-03

基于ANSYS的无加强U形波纹管刚度计算

赵一凡，汪庆华，刘旭谦

（西安工业大学机电工程学院，陕西西安710021)

摘要：奥氏体不锈钢波纹管作为液体火箭发动机推进剂管道补偿器的主要组成部分，其刚度特性对于管路稳

定非常重要。为研究大口径波纹管的层间接触状态对刚度的影响，以摩擦因数和层间间隙描述接触状态，揭

示层间接触状态对波纹管轴向压缩刚度影响的特点。最终将有限元计算结果与实验数据进行对比，误差小于

20%，准确性远胜传统公式。

关键词：火箭发动机；多层波纹管；轴向刚度；接触分析

中图分类号：TJ9：TP391.7文献标识码：A

0引言影响较小。张希恒等[8]从接触压力、层间间隙、滑动距

不同于固体火箭发动机将燃料安装在尾部，液体离、摩擦应力4个方面分析了双层波纹管层间的非线

火箭发动机需要额外的管线输送燃料。在发动机试车性因素及其对刚度的影响。

过程中，燃料输送管道会产生沿发动机运动方向的位以上学者针对双层小口径波纹管间的接触状态对

移，由于管道是采用横担抱箍的方式固定在动架上，管刚度影响进行了相关研究并取得了一定成果。然而在

道的位移将会影响试车架的动架结构，同时燃料运动固体力学问题中，由于接触边界的摩擦作用使得接触

过程中产生的静压力、动压力以及管道内水锤、阀门突体的形变随加载过程而变并且无法恢复，产生边界非

然关闭瞬间产生的冲击力等都会使管道发生振动。如线性问题[9}，若不考虑摩擦作用的影响，就难以准确地

果不采用补偿器进行补偿，在试车过程中动架将有可反映工程接触问题。对于多层大型波纹管，这种摩擦

能发生侧翻，轻则导致推力检测不准确，重则造成机毁作用对其刚度计算具有复杂的影响，双层小型波纹管的

人亡的重大事故。金属波纹管具有耐高温、浮动性好、仿真分析难以解决大型或超大型多层波纹管的问题。

寿命长等优点，被广泛应用于冷却系统、管道系统、机本文拟采用层间间隙、摩擦因数来描述层间接触

械密封系统、船舶和电力等领域[1。目前我国航天工状态，借助柔体一柔体的面一面接触单元，可以支持有

程所使用的火箭发动机推力可达百吨级2]，这种应用大滑动和摩擦大变形的特性，协调刚度阵计算，提供更

场景对金属波纹管的刚度提出了更高的要求。好的接触结果，建立大型多层波纹管有限元模型，分析

国内外学者对单层波纹管的刚度特性做了大量的其刚度，从而揭示层间接触状态对多层波纹管轴向压

研究，有能量法、数值法和圆环板纯弯曲理论等方法，缩刚度的影响机理。

推导出了波纹管刚度计算公式[3]。不同于单层波纹1波纹管有限元模型

管，多层波纹管的变形和边界的摩擦作用使得部分边1.1几何模型

界条件随加载过程而变，且不可恢复，因此需要考虑加管道补偿器结构如图1所示，其中包括入口波纹

管、出口波纹管和平衡波纹管。采用SolidWorks建立

载过程中摩擦功的不可逆性[4]。韩立杰等[5]对不同波

数的S形双层焊接金属波纹管进行了有限元分析，在如图2(a)所示管道补偿器中波纹管三维模型，然后将

不考虑层间接触的条件下,DN55系列的波纹管理论模型转化成.x-t文件