一种波纹管结构优化方法及波纹管技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。对于波纹管的应用具有实际意义。对于波纹管的应用具有实际意义。

【技术实现步骤摘要】
一种波纹管结构优化方法及波纹管


[0001]本专利技术涉及一种波纹管结构优化方法及波纹管，属于波纹管


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的方案包括：
[0007]本专利技术的一种波纹管结构优化方法，包括如下步骤：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]本专利技术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。本专利技术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。
[0013]本专利技术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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]本专利技术的一种波纹管，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。
[0023]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。
[0024]进一步的，所述波高差大于等于0.5毫米、小于等于1毫米。
[0025]进一步的，所述波峰段和波谷段均为圆弧。
[0026]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。
[0027]本专利技术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。
[0028]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
[0029]图1是现有技术中波纹管的横截面示意图；
[0030]图2是波纹管二维建模示意图；
[0031]图3是波纹管有限元模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种波纹管结构优化方法，其特征在于，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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝留成，李凯，苗晓军，皇涛，宋克兴，庞亚娟，范艳艳，张学宾，张彦敏，周延军，李小钊，薛从军，段方维，刘苪彤，
申请(专利权)人：国家电网有限公司国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院河南科技大学，
类型：发明
国别省市：