CN113033033B - 一种波纹管结构优化方法及波纹管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波纹管结构优化方法及波纹管，方法基于真空灭弧室用波纹管的服役承载特点，建立新的有限元模型，导入有限元软件Workbench中进行疲劳测试；首先在不改变波纹管关键参数尺寸下对波纹管波纹结构进行了优化，设计了不同波高交替布置的波纹管，然后找到发生疲劳断裂的位置，增加该位置圆角半径，进一步调整测试，获得疲劳寿命提高的波纹管几何参数合理范围，实现在原波纹管关键尺寸基础上对波纹管进行提高疲劳寿命的波纹构型及几何尺寸的改进。同时还得到一种有较长使用寿命的波纹管几何尺寸构型。本发明以波纹管为研究对象，优化波纹管几何构型，获得合理的几何构型的波纹管，有效提高波纹管服役寿命，该工艺对于波纹管的应用具有实际意义。

Description

一种波纹管结构优化方法及波纹管

技术领域

本发明涉及一种波纹管结构优化方法及波纹管，属于波纹管技术领域。

背景技术

随着电力系统越来越多的使用真空灭弧室来接通和切断电路，金属波纹管作为真空灭弧室中的密封和连接元件，起到隔绝外界空气、隔离电弧和连接动导杆的作用。其机械疲劳寿命决定真空灭弧室的寿命，这就要求它必须满足各类灭弧室机械寿命和气密可靠性的要求。波纹管是由一个或多个波纹及端部直边段组成的挠性元件，作为一种具有位移补偿和大刚度的多功能薄壁管壳金属零件，用以补偿因机械位移、热胀冷缩或振动引起的管线、设备等尺寸变化，已广泛用于电力、航空、航天、核动力、船舶等领域。

目前国产中高压真空灭弧室，能保证2万次的开关寿命，而2万次以上寿命的中高压灭弧室市场，是由西门子、东芝等跨国公司占有，其采用的高寿命波纹管则全部从国外输入。真空灭弧室的机械寿命之所以难提高主要是受波纹管的寿命限制，当前国内灭弧室波纹管型面主要以U形为主。波纹管服役过程中特征区域的受力表现出显著的非均匀分布，关键特征区域的受力分布决定着管件的疲劳寿命。因此，获得合理的几何构型的波纹管是提高和挖掘疲劳寿命的主要途径之一。

而用于真空灭弧室的波纹管受限于狭窄的安装和工作空间以及内部走线的要求，在内外尺寸上有较高的要求，难以做出较大改变，因此对波纹管几何构型的改变以提高其寿命的研究受到很大限制，难以获得突破和进展。

发明内容

本发明的目的是提供一种波纹管结构优化方法，用以提供一种在不改变波纹管整体内外尺寸的前提下对波纹管进行改进的方法，解决在不改变波纹管内外径的前提下难以提高波纹管寿命的问题。同时提供一种波纹管，相比现有技术中的波纹管，拥有相似的结构和整体尺寸，但大幅提升了使用寿命，解决了真空灭弧室用波纹管寿命低的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种波纹管结构优化方法，包括如下步骤：

1)将波纹管的波纹分为第一组波纹和第二组波纹，第一组波纹和第二组波纹间隔设置，波纹之间通过圆弧形波谷连接；对该波纹管的疲劳寿命模型进行网格划分；

2)固定第一组波纹的波高，不断降低第二组波纹的波高，并基于疲劳寿命模型网格划分的结果利用有限元法进行疲劳测试，得到对应波纹管疲劳寿命最长时的最佳波高差；所述波高差等于第一组波纹的波高减去第二组波纹的波高；

3)固定最佳波高差，不断改变波谷的圆弧半径，并基于疲劳寿命模型网格划分的结果利用有限元法进行疲劳测试，得到最佳波高差下波纹管疲劳寿命最长时的最佳波谷段圆弧半径；

4)固定该波纹管的第一组波纹，按照得到的最佳波高差调整第二组波纹的波高，按照得到的最佳波谷段圆弧半径调整波谷。

本发明首先发现了波纹管上相邻波纹存在一定高度差，即波纹高低间隔设置的形式，更加适应于在真空灭弧室应用，能够提高波纹管的疲劳寿命。本发明的方法为了改进波纹管，首先将现有波纹管上等高的波纹区分标记为第一组波纹(高波)和第二组波纹(低波)，利用有限元法，通过降低低波的高度，测试波纹管的寿命，最终找到最佳的低波波高，或者说找到最佳的高波和低波之间的波高差。进一步的在固定波高差的前提下，改变波谷几何参数，找到寿命最长时的最佳波谷几何参数，利用波高差和波谷集合参数对波纹管进行几何结构的改进，实现了在不增加和减少波纹管内部空间或外部空间的基础上，对波纹管完成了改造，针对真空灭弧室的应用，大幅提高了波纹管的疲劳寿命。

本发明通过对波纹管在服役工况下，保持波纹管整体尺寸的基础上细化改变波纹管结构，增加破裂位置圆角半径，获得合理的波纹管几何构型，实现对现有波纹管不改变其安装和使用的有效尺寸的前提下对其改造，使其疲劳寿命得到提高。

进一步的，步骤3)中，通过减少直壁段的长度来降低第二组波纹的波高；波纹由圆弧形波顶和直壁段构成，直壁段连接波顶和波谷。

针对波高的调整不改变波谷和波峰的几何尺寸参数，防止带来除波高以外的其他参数对波纹管寿命的影响，干扰利用有限元仿真进行改变波高的疲劳寿命测试过程。

进一步的，步骤1)中，疲劳寿命模型的建立方法为，取波纹管纵截面的剖面线建立平面二维模型作为疲劳寿命模型。

由于波纹管模型比较大，选择建立三维模型的话对计算机求解计算要求很高，而由于波纹管结构对称均匀，因此采用建立二维模型的方法进行有限元仿真，在保证仿真结果准确的前提下，降低计算量和硬件要求，提高计算速度。

进一步的，对疲劳寿命模型进行网格划分时，波纹直壁段的网格细密程度低于波峰段及波谷段的网格细密程度。

波纹管寿命结束时发生破裂的位置往往在呈圆弧过渡的波谷处，而几乎不会发生在波纹的直壁处，因此分别选择波峰、波谷、直壁段进行不同的网格细密程度划分，在圆弧过度处加大网格密度，提高计算结果准确度；对影响不大的直壁段降低网格密度，减少运算求解的时间，仿真过程中在计算效率和准确度之间找到平衡。

进一步的，步骤3)中，降低第二组波纹的波高并进行疲劳测试时，还记录破裂的波谷的位置；在步骤3)中，仅改变破裂的波谷的圆弧半径并进行疲劳测试。

根据波纹管的疲劳特性，其特征区域的受力分布显著不均匀，相似工况下(类似真空灭弧室重复性的机械动作)波纹管工作中所受应力都集中于一处，也是最容易最先发生破裂的地方，因此在仿真实验中，找出应力集中部位，仅改变该部位的几何结构尺寸进行测试即可，无需每次都改变全部的相似结构部位的几何尺寸，减少了建模时间和运算量，提高了仿真和研究效率。

本发明的一种波纹管，包括环状波纹，环状波纹之间通过波谷段连接，环状波纹包括波峰段和直壁段，波峰段和波谷段通过直壁段连接，所有波谷段上最接近波纹管中轴线的点均在同一条波谷直线上，所述环状波纹包括高波纹和低波纹，所述高波纹和低波纹间隔设置，所述高波纹的波高大于低波纹的波高；所述波高为从所述波谷直线到对应环状波纹波峰段的最大距离。

进一步的，所述高波纹的波高与低波纹的波高之间的波高差大于等于0.5毫米。

进一步的，所述波高差大于等于0.5毫米、小于等于1毫米。

进一步的，所述波峰段和波谷段均为圆弧。

进一步的，所述波谷段的圆弧半径大于等于1.5毫米、小于等于1.7毫米。

本发明的波纹管经过科学的实验研究，具备合理的波纹管几何构型，相比相同内外径尺寸的传统波纹管，疲劳寿命得到提高。

进一步的，所述高波纹直壁段长度与低波纹直壁段长度的差大于等于0.5毫米、小于等于1毫米。

附图说明

图1是现有技术中波纹管的横截面示意图；

图2是波纹管二维建模示意图；

图3是波纹管有限元模型施加约束示意图；

图4是结构优化调整波高差后的波纹管二维建模示意图；

图5是疲劳测试获得较佳波高差后的波纹管示意图；

图6是结构优化调整破裂位置波谷圆角半径后的波纹管二维建模示意图；

图7是本发明的波纹管结构示意图1；

图8是本发明的波纹管结构示意图2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例：

本发明的一种波纹管结构优化方法，对现有波纹管进行结构改进，在不改变有效使用尺寸的前提下增加其使用寿命，具体包括如下步骤：

1.建立有限元模型。

采用ANSYS中的Discovery SpaceClaim模块对现有波纹管进行有限元建模，由于波纹管模型比较大，选择建立三维模型的话对计算机求解计算要求很高，为了便于仿真计算，采用建立二维模型的方法进行有限元仿真。具体取得波纹管的横截面，波纹管横截面上半部分的刨面线如图1所示，包括波纹10和波谷20，波纹10由波峰11和直壁12平滑连接组成，相邻的波纹10之间通过各自相邻的直壁12通过波谷20平滑过渡连接。作为一种典型的金属波纹管，波峰11和波谷20为圆弧过渡，波峰11和波谷20分别与相连的直壁12相切。波纹管在自然状态下(未拉长或压缩)其直壁12成垂直状态，波峰11和波谷20为半圆弧。每个波纹的波高为波峰11最顶点到波谷20最顶点的垂直距离，或者说波峰11到波谷20的最大垂直距离。

在Discovery SpaceClaim模块建立波纹管横截面上半部分的二维模型，模型如图2所示，波纹管参数如表1所示。

表1波纹管参数

将模型中的波纹标记为高波纹和低波纹，高波纹和低波纹依次间隔设置。具体可以对模型中的波纹进行编号，如图2所示，得到波纹⑴⑵⑶⑷⑸⑹…⒆，将其中的单号波纹设定为高波纹，双号波纹设定为低波纹。

2.导入有限元分析。

二维模型建立后，在ANSYS Workbench中选择静力学分析，导入建立的二维模型，定义分析几何面为二维平面，二维行为设计为轴对称，结果如图4所示。金属波纹管的材质为304不锈钢，根据对304不锈钢的材料特性分析，导入波纹管模型相关材料参数，模型材料参数如表2所示。

表2波纹管材料参数

杨氏模量(Pa)	泊松比	屈服强度(Pa)	S-N曲线公式
				1.92E11	0.3	5.01E8	S19.1205×N＝1.2120×1050

3.网格划分。

对导入的二维模型进行网格划分，可以分别选择波峰11、波谷20、直壁12进行不同的网格细密程度划分，由于过密的网格会增加求解运算时间，网格数量少的话计算结果不准确，故在应力情况复杂的圆弧过渡处加大网格密度(由于破裂一般发生在波谷20出，故主要加大波谷20处圆弧过渡段的网格密度即可)，在受力简单且不容易破裂的直壁段降低网格密度。

4.施加约束。

约束施加应当模拟出波纹管实际使用中的载荷工况。以真空灭弧室的波纹管为例，工况载荷为，波纹管一端固定，外壁施加压力，一端施加位移约束，模拟出波纹管在真空灭弧室中外壁受压的情况下，一端固定，另一端受断路器触头动作而产生机械位移。如图3所示，具体的在模型图中的左端A处施加位移，右端C处施加固定约束，中部外壁处施加压力，压力大小为0.25MPa。

5.基于有限元法进行仿真模拟。

方法具体首先整体优化波纹管结构，然后找到波纹管破裂位置，增大破裂位置圆角半径，寻找最优(疲劳寿命最长)的圆角半径，具体步骤如下：

(1)根据实际工况，在步骤4中施加约束下，进行有限元模拟，分析当前波纹管使用寿命。首先对图1及表1中的有限元模型(高波纹和低波纹的波高相同，即波高差为0)在步骤4的约束下进行模拟，得出使用寿命为15556次。用于真空灭弧室的波纹管应当保证气密性，因此在波纹管破裂时即表示波纹管寿命终止。波纹管的在步骤4的约束下，会在外壁承压的状态下、一段受到固定，一端被反复拉动，每次拉动模拟了一次真空断路器的动作，使用寿命的次数表示了波纹管能够承受的断路器动作次数。

(2)降低低波纹的波高，具体的可以减少被标记为低波纹的波纹10的两个直壁12的长度，首先将低波纹的波高降低0.5mm，得到模型如图4所示。再对图4中的有限元模型(波纹管高波纹和低波纹依次交叉设置，波高差为0.5mm)在步骤4的约束下进行模拟，得出使用寿命为21405次。使用寿命从0波高差时的15556次增加到0.5毫米波高差时的21405次，使用寿命得到显著提高，因此，高低波纹交叉间隔设置的整体结构有利于波纹管寿命的增加，还可以进一步调整波高差并进行模拟，发现波高差与波纹管寿命的关系，寻找最长使用寿命的波高差。且这样的波纹管结构改变不会影响波纹管的实际安装尺寸(外尺寸)和实际使用尺寸(内尺寸)。

(3)进一步改变高波纹和低波纹的波高差(增加波高差)，将波高差增加到1mm，也即降低低波纹的波高1mm。有限元分析后，得出使用疲劳使用寿命为20094。由此可知，波高差在0mm到1mm的范围内时，波纹管寿命达到最大。根据目前的实验数据可以得出，波纹管寿命最大时，波高差在0.5mm到1mm左右。另外通过有限次的实验，可以得出更加精确的波纹管寿命最大时的波高差。

(4)本实施例中，如图5所示，发现当波高差h＝0.5mm时，波纹管寿命较高，同时发现波纹管寿命终止时破裂位置位于波纹⑶和波纹⑷之间的波谷处。考虑波谷20的圆弧半径(圆角半径)也会影响到波纹管的寿命，因此可以进一步改变波谷圆角半径后进行有限元分析，进一步寻找疲劳寿命最长时的波纹管结构。

因此进一步保持其他参数不变(包括波高、波高差、壁厚等)，仅增大该位置圆角半径进行有限元建模，得到模型如图6所示。本实施例中，其余波谷20的圆角半径为1.4mm，将该波谷的圆角半径增加到1.5mm。通过有限元模拟的疲劳测试，发现波纹管寿命从1.4mm时的20094次进一步增加到21605次。可知继续改变波谷圆角半径，有助于进一步提高波纹管疲劳寿命。

(5)以0.1mm为步长，继续增加该波谷处的圆角半径，并进行疲劳测试，发现随着其圆角半径的增加，波纹管疲劳寿命先增加后减小，通过有限次实验可以得出最佳的波谷圆角半径值，根据本实施例中的实验结果，可知波谷20的圆角半径值的范围在1.5～1.7mm时达到最佳。

作为其他实施例，在改变圆角半径时也可以改变全部波谷20的过渡圆弧的半径值并进行疲劳测试。但由于对应载荷下的波纹管应力集中在相同的波谷处(破裂处的波谷附近)，因此可以预测结构调整后的波纹管破裂位置依然会在此处，因此仅需调整此处的结构尺寸并观察寿命的变化，即可得出改变后的结构尺寸是否有利于波纹管寿命的提高。为了提高实验效率，可以仅改变此处的波谷结构尺寸。

本发明的有限元模拟疲劳测试最终得到如下表(表3)的实验数据。

表3不同波高差及波谷圆角半径的波纹管疲劳寿命变化表

波高差h/mm	圆角半径r/mm	寿命次
			0	1.4	15556
0.5	1.4	21405
			1	1.4	20094
0.5	1.5	21605
			0.5	1.6	21664
0.5	1.7	22063
			0.5	1.8	21597

基于以上实验数据可得，当波纹管波高差h＝0.5mm、波谷处的圆角半径r＝1.7mm时的波纹管疲劳寿命最高，与原波纹管相比，疲劳寿命增加了41.8％。按照此数据对原波纹管进行改进，即可得到与原波纹管关键尺寸参数相同(能够直接替换使用)，但寿命大大增加的波纹管。

波纹管的几何构型与疲劳寿命密切相关，波纹管的寿命决定着真空灭弧室的机械寿命，最大程度挖掘并提高波纹管疲劳寿命，是提高真空灭弧室的性能稳定性和机械寿命的关键。理论和试验方法设计波纹管存在周期长、成本高等不足。本发明基于真空灭弧室用波纹管的服役特点，在不改变原有波纹管的有效几何尺寸的前提下(不改变内外径尺寸)，通过优化设计波纹管的波纹几何构型，充分挖掘波纹管疲劳寿命潜力，提高波纹管疲劳寿命，通过本发明的改进方法改进的波纹管还可以安装回原波纹管的位置，不需改变真空灭弧室的设计和尺寸，便于对现有真空灭弧室进行改造，最低成本的提高了真空灭弧室的性能稳定性和机械寿命。

波纹管实施例：

本发明基于真空灭弧室用波纹管的服役承载特点，建立新的有限元模型，导入有限元软件Workbench中进行疲劳测试；首先在不改变波纹管关键参数尺寸下对波纹管波纹的结构尺寸进行了优化，设计了不同波高交替布置的波纹管，发现寿命有很大提高，然后找到发生疲劳断裂的位置，增加该位置圆角半径，进一步调整测试，获得疲劳寿命提高的波纹管几何参数合理范围，提出了提高疲劳寿命的波纹构型及合理几何尺寸。最终得到一种有较长使用寿命的波纹管几何尺寸构型，按照实验得到的波纹管几何尺寸构型制备成型模具，制备相应波纹管。

根据本发明实施例记载的实验方法，得到本发明的具有较长疲劳使用寿命的波纹管构型如图7、图8所示，波纹分为高波1和低波2，高波1具有较长的直壁段，高低波相互间隔设置。

根据方法实施例中表3的实验结果数据可以看出，高波1的波高大于低波2的波高0.5毫米时，也即波高差大于0.5毫米时，波纹管具有较佳使用寿命。因此，波高差应该至少达到0.5毫米。

波高差在大于0.5毫米达到1毫米之后，使用寿命开始逐步降低，因此较佳的，波高差可以设置在0.5～1毫米之间。

采用圆弧过渡的波峰和波谷中，波谷的圆弧半径在1.5～1.7毫米时波纹管使用寿命达到最佳。且高波1和低波2的波峰圆弧尺寸相同时，高波1和低波2的波高差即为高波1和低波2的直壁段的长度差。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波纹管结构优化方法，其特征在于，所述波纹管为真空灭弧室用波纹管，包括如下步骤：

1)将波纹管的波纹分为第一组波纹和第二组波纹，第一组波纹和第二组波纹间隔设置，波纹之间通过圆弧形波谷连接；对该波纹管的疲劳寿命模型进行网格划分；

2)固定第一组波纹的波高，不断降低第二组波纹的波高，并基于疲劳寿命模型网格划分的结果利用有限元法进行疲劳测试，得到对应波纹管疲劳寿命最长时的波高差；所述波高差等于第一组波纹的波高减去第二组波纹的波高；所述波高差大于等于0.5毫米且小于等于1毫米；

3)固定波高差，不断改变波谷的圆弧半径，并基于疲劳寿命模型网格划分的结果利用有限元法进行疲劳测试，得到波高差下波纹管疲劳寿命最长时的波谷段圆弧半径；

4)固定该波纹管的第一组波纹，按照得到的波高差调整第二组波纹的波高，按照得到的波谷段圆弧半径调整波谷。

2.根据权利要求1所述的波纹管结构优化方法，其特征在于，步骤3)中，通过减少直壁段的长度来降低第二组波纹的波高；波纹由圆弧形波顶和直壁段构成，直壁段连接波顶和波谷。

3.根据权利要求2所述的波纹管结构优化方法，其特征在于，步骤1)中，疲劳寿命模型的建立方法为，取波纹管纵截面的剖面线建立平面二维模型作为疲劳寿命模型。

4.根据权利要求3所述的波纹管结构优化方法，其特征在于，对疲劳寿命模型进行网格划分时，波纹直壁段的网格细密程度低于波峰段及波谷段的网格细密程度。

5.根据权利要求4所述的波纹管结构优化方法，其特征在于，步骤3)中，降低第二组波纹的波高并进行疲劳测试时，还记录破裂的波谷的位置；在步骤3)中，仅改变破裂的波谷的圆弧半径并进行疲劳测试。

6.一种波纹管，所述波纹管为真空灭弧室用波纹管，包括环状波纹，环状波纹之间通过波谷段连接，环状波纹包括波峰段和直壁段，波峰段和波谷段通过直壁段连接，所有波谷段上最接近波纹管中轴线的点均在同一条波谷直线上，其特征在于，所述环状波纹包括高波纹和低波纹，所述高波纹和低波纹间隔设置，所述高波纹的波高大于低波纹的波高；所述波高为从所述波谷直线到对应环状波纹波峰段的最大距离；波高差大于等于0.5毫米且小于等于1毫米,所述波高差通过如下方法得到：

1)将波纹管的波纹分为高波纹和低波纹，高波纹和低波纹间隔设置，波纹之间通过圆弧形波谷连接；对该波纹管的疲劳寿命模型进行网格划分；

2)固定高波纹的波高，不断降低低波纹的波高，并基于疲劳寿命模型网格划分的结果利用有限元法进行疲劳测试，得到对应波纹管疲劳寿命最长时的波高差；所述波高差等于高波纹的波高减去低波纹的波高。

7.根据权利要求6所述的波纹管，其特征在于，所述波峰段和波谷段均为圆弧。

8.根据权利要求6所述的波纹管，其特征在于，所述波谷段的圆弧半径大于等于1.5毫米、小于等于1.7毫米。

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