基于Workbench的U型波纹管不同壁厚的模态分析

隋国于

摘要：将Solulworks建立的波纹管薄壁模型导入WorkLench中，并对此模型进行模态分析，模拟壁厚对其固有频率和振型的影响，为波纹管的谐响应分析提供了可靠的基础。

关键词：波纹管;有限元;Workheench;模态分析

1研究背景

波纹管具有柔性高、耐高温、耐高压、耐腐蚀等优点，在管系中可对轴向、径向进行补偿、降噪和减振。目前设计波纹管时，通常仅计算静载荷和静特性，可能会导致波纹管在使用中因共振而遭到破坏。本文利用有限元分析，对波纹管进行模态分析，仿真出不同壁厚波纹管的固有频率和振型，为波纹管的设计、安装和使用提供了具有实际价值的参考。

2U型波纹管几何模型的建立

U型波纹管是一种截面为波纹状的圆柱形薄壁壳体，外形似U型波浪，本文采用Solidworks对U型波纹管进行建模。建模的过程：（l）在Solidworks中画出草图，具体结构参数见表1;（2）用曲面功能将草图旋转成薄壁模型见图l。

3U型波纹管的模态分析

3.1有限元模型的建立

本文选用304不锈钢（ 06Cr19Nil0），其屈服强度as-205MPa，抗拉强度ab=520MPa，密度=7.8kg/cm3，弹性模量E=196CPa，泊松比v=0.3。

因波纹管的壁厚很小，其长度和宽度方向远远大于厚度方向，所以本文采用壳单元划分网格，这样可使有限元模型更符合实际，确保结果更真实有效。因在Solidworks中得到的是薄壁模型，所以在Workhench中不需进行抽壳，将模型导人Workhench中赋予壁厚后进行网格划分。模型划分网格后得到62436个单元和61952个节点，如图2所示。

3.2边界条件及求解方法的确定

因波纹管的多数工况为两端固定，所以本次分析的边界条件为两端固支

（1）壁厚δ=0.6mm，前六阶固有频率见表2，振型见图3。（2）壁厚δ=0.8mm，前六阶固有频率见表3，振型见图4。（3）壁厚δ=1.0mm，前六阶固有频率见表4，振型见图5。

（4）壁厚δ=1.2mm，前六阶固有频率见表5，振型见图6。

3.3模态分析的结果与讨论

通过模态分析得出在两端固支的情况下不同壁厚波纹管的固有频率如表6所示。

从表6中可看到：二阶与三阶固有频率相同、振型对称，四阶与五阶固有频率相近、振型相似（出现微小差别的原因是模型在划分网格的时出现网格不对称的情况）。这是由于波纹管的结构对称引起的，不同壁厚的U型波纹管的频率和振型也大不相同，并且随着阶数提高，壁厚对固有频率的影响越大。波纹管结构的振动特性的好坏对其各个方面的性能都有重要的影响，振动不但能令波纹管出现疲劳破坏，而且会产生共振，使波纹管出现强度破坏和大位移。通过本文研究可以得出壁厚对波纹管固有频率的影响，在设计时利用波纹管壁厚的影响来避开固有频率和振型，以此来改善波纹管的工作环境，提高其使用寿命。

4结束语

本文利用Solidworks建立波纹管的薄壁模型进行波纹管的模态分析。通过限元分析法对波纹管进行模态分析，在Workhench平台上计算波纹管的固有频率和振型的云图，进而更直观地看到波纹管的应力、应变的分布情况。在相同的工况下，不同壁厚波纹管的固有频率和振型均不相同。通过本文的研究，改变U型波纹管的壁厚可以避开其共振频率，避免出现共振现象，对波纹管的设计、制造、安装和使用具有指导意义。

参考文献

[1]万宏强，汪亮，刘扬，等.基于ANSYS的u型波纹管参数计算与分析[J].西安工业大学学报，2008，28（2）：123-128.

[2]韩淑洁，王心丰.基于ANSYS的u型波纹管振動模态分析[J].机械，2004，31（10）：21-23.

[3]韩淑洁，王心丰.u型波纹管振动特性的有限元分析[J].压力容器，2004，21（11）：23-26.

[4]阿斯耶姆·肖开提.S型焊接金属波纹管力学性能分析和结构参数优化[D].乌鲁木齐：新疆大学，2012.