干气密封焊接金属波纹管的动态性能分析及结构优化

论文摘要

干气密封的应用经过40多年的发展,以其优良的性能已经在工业生产领域中得到广泛的应用。为了提高干气密封的密封效果,国内外学者对其结构进行了各种研究,但一般都是基于螺旋槽的研究,对其弹性元件（弹簧）研究的较少。焊接金属波纹管不仅起着补偿及缓冲因动磨损、轴向串动及振动等原因产生的轴向位移,而且靠本身的弹力与密封介质压力一起对密封端面施加一定的比压,以起到密封的作用。因此其代替了原有的弹性元件。本文运用ANSYS有限元软件对焊接金属波纹管的动态性能进行分析,来提高干气密封的效果。首先,应用PRO-E软件分别对单圆弧、双圆弧和三圆弧三种结构类型的焊接金属波纹管进行建模,然后导入ANSYS软件进行模态分析,分别得到它们的固有频率和振型,通过分析比较得出,在几何参数相同的情况下,单圆弧的固有频率最大,双圆弧的次之,三圆弧的最小；同时利用理论公式计算出波纹管的固有频率,然后与利用模态分析计算出的固有频率进行比较,从而验证了模态分析结果的可靠性,为波纹管的动态响应分析提供了依据；其次,对三种类型的波纹管进行了谐响应分析,求出了响应值（位移）-频率曲线。通过分析得到,在相同的工况下,三圆弧波纹管的位移最小,是我们的最优选择。最后,采用模态叠加法对三种类型的波纹管进行瞬态动力学分析,分别得出它们的位移时间曲线和应力时间曲线。通过分析比较,在相同的工况下,双圆弧的位移最小,三圆弧的次之,单圆弧的最大；对于应力,三圆弧的最大,单圆弧和双圆弧的相差不大。综合考虑两种因素双圆弧波纹管是我们的最佳选择。为波纹管的优化设计提供基础。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 干气密封的工作原理、结构、特点和应用
• 1.3 波纹管的概述
• 1.3.1 生产发展简史
• 1.3.2 生产制造特点
• 1.3.3 波纹管的主要技术参数
• 1.4 研究波纹管干气密封的必要性及国内外研究现状
• 1.5 课题来源和研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 课题研究内容
• 第2章 波纹管固有频率的理论计算
• 2.1 波纹管轴向及横向固有频率的计算公式
• 2.1.1 波纹管的轴向固有频率的计算
• 2.1.2 波纹管的横向固有频率计算公式
• 2.2 波纹管的刚度计算公式及质量的计算公式
• 2.2.1 波纹管的刚度计算
• 2.2.2 波纹管的质量G的计算公式
• 2.3 焊接金属波纹管的轴向和横向固有频率计算公式
• 第3章 焊接金属波纹管的模态分析
• 3.1 模态分析基础
• 3.1.1 模态分析定义
• 3.1.2 模态求解的近似方法
• 3.1.3 振动模态分析理论基础
• 3.2 模态分析在ANSYS中的实现
• 3.2.1 模态分析的基本步骤
• 3.2.2 模态提取的常用方法
• 3.3 焊接金属波纹管的模态计算
• 3.3.1 单元的选取及有限元模型的建立
• 3.3.2 边界条件及其求解方法的确定
• 3.3.3 模态结果分析
• 3.3.4 结论
• 3.4 双圆弧和三圆弧波纹管的模态计算及比较
• 3.4.1 单元的选取与求解方法的确定
• 3.4.2 模态结果分析
• 3.5 结论
• 第4章 焊接金属波纹管的谐响应分析
• 4.1 谐响应分析理论
• 4.2 谐响应分析的求解方法
• 4.3 谐响应分析的步骤及分析结果
• 4.3.1 谐响应分析的步骤
• 4.3.2 谐响应的结果分析
• 4.4 结论
• 第5章 焊接金属波纹管的瞬态分析
• 5.1 瞬态分析基础
• 5.1.1 瞬态动力学分析的定义
• 5.1.2 瞬态分析求解方法
• 5.2 波纹管的瞬态动力分析
• 5.2.1 建造模型
• 5.2.2 获取模态解
• 5.2.3 获取模态叠加法瞬态分析解
• 5.2.4 扩展模态叠加解
• 5.2.5 观察结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 波纹管的优化
• 6.1 波纹管结构的选择
• 6.2 波纹管的结构优化
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文