基于Workbench的U型波紋管不同壁厚的模態(tài)分析

隋國(guó)于

摘要：將Solulworks建立的波紋管薄壁模型導(dǎo)入WorkLench中，并對(duì)此模型進(jìn)行模態(tài)分析，模擬壁厚對(duì)其固有頻率和振型的影響，為波紋管的諧響應(yīng)分析提供了可靠的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：波紋管;有限元;Workheench;模態(tài)分析

1研究背景

波紋管具有柔性高、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在管系中可對(duì)軸向、徑向進(jìn)行補(bǔ)償、降噪和減振。目前設(shè)計(jì)波紋管時(shí)，通常僅計(jì)算靜載荷和靜特性，可能會(huì)導(dǎo)致波紋管在使用中因共振而遭到破壞。本文利用有限元分析，對(duì)波紋管進(jìn)行模態(tài)分析，仿真出不同壁厚波紋管的固有頻率和振型，為波紋管的設(shè)計(jì)、安裝和使用提供了具有實(shí)際價(jià)值的參考。

2U型波紋管幾何模型的建立

U型波紋管是一種截面為波紋狀的圓柱形薄壁殼體，外形似U型波浪，本文采用Solidworks對(duì)U型波紋管進(jìn)行建模。建模的過(guò)程：（l）在Solidworks中畫(huà)出草圖，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1;（2）用曲面功能將草圖旋轉(zhuǎn)成薄壁模型見(jiàn)圖l。

3U型波紋管的模態(tài)分析

3.1有限元模型的建立

本文選用304不銹鋼（ 06Cr19Nil0），其屈服強(qiáng)度as-205MPa，抗拉強(qiáng)度ab=520MPa，密度=7.8kg/cm3，彈性模量E=196CPa，泊松比v=0.3。

因波紋管的壁厚很小，其長(zhǎng)度和寬度方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度方向，所以本文采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，這樣可使有限元模型更符合實(shí)際，確保結(jié)果更真實(shí)有效。因在Solidworks中得到的是薄壁模型，所以在Workhench中不需進(jìn)行抽殼，將模型導(dǎo)人Workhench中賦予壁厚后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型劃分網(wǎng)格后得到62436個(gè)單元和61952個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

3.2邊界條件及求解方法的確定

因波紋管的多數(shù)工況為兩端固定，所以本次分析的邊界條件為兩端固支

（1）壁厚δ=0.6mm，前六階固有頻率見(jiàn)表2，振型見(jiàn)圖3。（2）壁厚δ=0.8mm，前六階固有頻率見(jiàn)表3，振型見(jiàn)圖4。（3）壁厚δ=1.0mm，前六階固有頻率見(jiàn)表4，振型見(jiàn)圖5。

（4）壁厚δ=1.2mm，前六階固有頻率見(jiàn)表5，振型見(jiàn)圖6。

3.3模態(tài)分析的結(jié)果與討論

通過(guò)模態(tài)分析得出在兩端固支的情況下不同壁厚波紋管的固有頻率如表6所示。

從表6中可看到：二階與三階固有頻率相同、振型對(duì)稱，四階與五階固有頻率相近、振型相似（出現(xiàn)微小差別的原因是模型在劃分網(wǎng)格的時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)格不對(duì)稱的情況）。這是由于波紋管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱引起的，不同壁厚的U型波紋管的頻率和振型也大不相同，并且隨著階數(shù)提高，壁厚對(duì)固有頻率的影響越大。波紋管結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的好壞對(duì)其各個(gè)方面的性能都有重要的影響，振動(dòng)不但能令波紋管出現(xiàn)疲勞破壞，而且會(huì)產(chǎn)生共振，使波紋管出現(xiàn)強(qiáng)度破壞和大位移。通過(guò)本文研究可以得出壁厚對(duì)波紋管固有頻率的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)利用波紋管壁厚的影響來(lái)避開(kāi)固有頻率和振型，以此來(lái)改善波紋管的工作環(huán)境，提高其使用壽命。

4結(jié)束語(yǔ)

本文利用Solidworks建立波紋管的薄壁模型進(jìn)行波紋管的模態(tài)分析。通過(guò)限元分析法對(duì)波紋管進(jìn)行模態(tài)分析，在Workhench平臺(tái)上計(jì)算波紋管的固有頻率和振型的云圖，進(jìn)而更直觀地看到波紋管的應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。在相同的工況下，不同壁厚波紋管的固有頻率和振型均不相同。通過(guò)本文的研究，改變U型波紋管的壁厚可以避開(kāi)其共振頻率，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，對(duì)波紋管的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用具有指導(dǎo)意義。

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