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波紋補償器是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件，由波紋管、法蘭盤、接管、導(dǎo)流筒等構(gòu)件組成。波紋管補償器的工作原理主要是利用自身的彈性伸縮功能，使管道補償由于溫度和機械振動而導(dǎo)致的軸向、徑向以及組合位移，補償?shù)淖饔镁哂心蛪骸⒛蜏囟取p振降噪的功能，起到降低管道變形和提高管道使用壽命的作用。不銹鋼波紋管是波紋補償器的主要組成元件，依靠波紋管伸縮、彎曲來對管道進行軸向、徑向以及組合補償。使其可以起到：1）補償管道軸向、徑向、角向的熱變形；2）吸收設(shè)備振動，降低振動對管道的影響；3）吸收地震等自然現(xiàn)象對管道的影響變形量。
常見的補償器有3種：1）大拉桿補償器，可以滿足軸向補償；2）平面鉸鏈補償器，可以滿足鏡像補償；3）萬向鉸鏈補償器，既可滿足軸向補償，也可滿足徑向補償。本文僅對平面鉸鏈補償器進行有限元分析，為波紋管補償器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能提升提供技術(shù)支持。
（1）三維模型的建立。根據(jù)圖紙，建立平面鉸鏈補償器的三維模型，然后導(dǎo)入到 ANSYS中進行有限元分析。（2）有限元模型的建立。由于平面鉸鏈補償器為對稱結(jié)構(gòu)，故采用模型的1/2建立有限元模型，整體采用SOLID187單元，接觸部分采用CONTA174，TARGE170單元。在接管內(nèi)壁以及兩端施加法向壓力以模擬實際工作環(huán)境，大小為3.1MPa，在鉸鏈處添加接觸對。
由各節(jié)點總位移分布圖可知，最大位移發(fā)生在立板底部且靠近對側(cè)處，鉸鏈板處應(yīng)力也較大。在軸向方向上，離中心越遠(yuǎn)應(yīng)力越小；在徑向方向上，離馬鞍板越遠(yuǎn)應(yīng)力越大。從頂部至尾部分別取代表性節(jié)點163、121、053（法蘭盤中間節(jié)點），3627、117916（接管中間節(jié)點），27369、103824（馬鞍板中間節(jié)點），64721（銷孔中間節(jié)點）。由這7個節(jié)點繪制出節(jié)點-位移變化曲線。由圖可知，位移變化整體成對稱分布。在馬鞍板處位移最小，為0mm；在鉸鏈及立板底端處最大，為2.3mm。
由補償器鉸鏈連接處應(yīng)力分布圖可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸孔且靠近對側(cè)處，最大Mises應(yīng)力為129MPa，小于材料的屈服強度，補償器未發(fā)生塑性形變，符合要求；最小應(yīng)力位于馬鞍板處，最小Mises應(yīng)力0.18MPs所以，鉸鏈應(yīng)力分布范圍大約在0.18~129MPa之間。由上述節(jié)點處的應(yīng)力分布圖可知，兩端應(yīng)力變化不大，應(yīng)力主要集中在銷軸孔處。
建立了平面鉸鏈補償器的三維模型，利用有限元的方法，分析了在規(guī)定工作壓強下的變形及應(yīng)力情況。結(jié)果表明，馬鞍板處變形較小，銷軸連接板及立板底部靠外側(cè)部分變形較大；應(yīng)力分部也主要集中在鉸鏈處，馬鞍板處應(yīng)力較小。根據(jù)分析結(jié)果，實際制造時可在鉸鏈處加厚，如增加鉸鏈板厚度；在銷軸孔直徑不變的前提下增加孔中心與鉸鏈板的距離，以提高安全系數(shù)，避免危險發(fā)生；其余部分無需加厚，從而降低制造成本。
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