一家专注流体压力成形技术
【作 者】吴京祥;王志辉;王兆峻;李建雄
【前 言】
金属波纹管作为密封元件，其密封性可靠、互换性好，在各行各业中有广泛的应用。图1为在一种压力气体充装设备上的手阀组件设计图，采用了双层不锈钢波纹管作为主要的密封件。在以往的充装设备设计中，常采用O形密封圈作为密封件，密封效果具有一定的局限性。该充装设备需要考虑到充装介质的广泛性，要求既能充装液化石油气，又能充装其他燃气；同时对温度变化具有一定的适应性，要求既能适应南方酷热天气充装，又能适应极寒天气的充装，以及在相当长的一段时间内，密封部件要具有免维护性。基于以上原因，在该充装设备的设计中，摒弃了O形密封圈作为密封件的传统设计方案，采用了以不锈钢波纹管为主要部件的密封结构。
采用了金属波纹管的密封结构，将采用密封圈结构的动密封变成了易于控制和维护的静密封，对于机械结构设计来讲，带来了很多的便利之处。金属波纹管密封结构的难点仅仅在于波纹管本身的成形工艺性、使用过程中的载荷承受能力及使用寿命。
金属波纹管成形传统的工艺方法是用橡胶弹性体胀形，近些年来多采用管材液压成形（内高压成形）的方法来实现，即以管材为坯料，通过向管材内部通以高压液体并轴向进给补料，通过冲头把管坯压入到模具型腔进而成形出所需工件的一种加工方法。
本文以充装设备上使用的不锈钢波纹管为例，通过ABAQUS有限元分析工具，模拟波纹管的成形工况下的应力和变形分布；并进一步模拟在先期塑性变形和残余应力结合外压及轴向位移约束的条件下波纹管工件的应力和变形分布，以及工件各单元上疲劳寿命的分布。
【结 论】
1）本文系统地应用ABAQUS有限元分析工具，分析了金属波纹管的成形工况、使用工况，并且借助ABAQUS/FE-SAFE模块进行了疲劳寿命的分析，为该类工件的相关设计提供了一条有效途径。
2）通过本文分析可知，金属波纹管的内高压成形工艺影响了波纹管的流动应力和残余应力；在波纹管使用工况下的应力分析和疲劳分析要充分考虑到加工硬化、残余应力，以及成形过程中壁厚减薄量等因素。
3）在金属波纹管成形后不做强化或者热处理的前提下，要将预定义场作为一个先决条件加在工件边界条件的设定之前。从分析结果来看，先期成形阶段的残余应力和变形与后续工况的复合作用的结果影响了工件的使用工况下的应力分布和使用寿命。
4）在使用工况下，不排除金属波纹管发生二次塑性变形的可能，其结果是提高了该处的流动应力。
以下是正文：
