金属波纹管的应力分布

　　金属波纹管机械密封以其的性能在机械密封行业中使用越来越多。

　　对于这种管材，主要有挤压成型和焊接成型两大类。与焊接金属波纹管机械密封相比，挤压成型金属波纹管机械密封具有工作时应力分布均匀;焊缝少;不易有沉积物聚积等优点。它不需要辅助密封，多用在高温或腐蚀介质场合中。在这种环境中长期使用，必将对金属波纹管性能产生很大的影响。因此有必要对金属波纹管结构形式进行研究，为金属波纹管的设计提供更多的理论依据。

　　挤压成型金属波纹管是由奥氏体不锈钢薄板挤压变形而成。在机械密封中常用非对称截面的成形金属波纹管，非对称型金属波纹管相邻的波峰和波谷曲率半径不同。当金属波纹管受到轴向压力时波峰的曲率半径减小、波谷的曲率半径增大，应力沿金属波纹管断面较为均匀。

　　进行金属波纹管密封结构的计算时，需要确定金属波纹管的刚度。但是简单而又可靠的符合实际应用的金属波纹管刚度的解析计算方法还没有，只足借助于各种经验公式和图表计算的近似结果。

　　由于金属波纹管结构以及受力都具有轴对称性，因此在计算过程中，对模型进行如下等效或简化：不考虑材料缺陷，材料各向同性，不考虑残余应力和厚度减薄的影响，尺寸按表l取值，将模型等效为轴对称模型。进行简化后不会影响计算结果，同时提高了计算速度。

　　单层金属波纹管的有限元计算值和实验值比较接近，而双层金属波纹管有限元计算值和实验值有一定的差距，说明单层金属波纹管的有限元计算模型能够比较真实地模拟金属波纹管的实际情况。同时刚度曲线近似为直线，说明在金属波纹管发生塑性变形之前，始终工作在弹性阶段。

　　在波峰和波谷阶段，金属波纹管在径向位置应力的分布有很大的变化。预紧时波谷和波峰处均会产生较大的应力，而且波谷处的应力比波峰的耍大，疲劳破裂也常在这里发生。而在波纹平坦部分中部，应力比较小。这主要是因为位移载荷导致的经向应力值比较小。预紧后，金属波纹管在外压的作用下，金属波纹管的波谷处的曲率半径增加，波峰处的曲率半径减小，使得应力分布又有所不同，但总的趋势，即波峰波谷处应力较大是不变的。只是波谷的应力较前者有所减小，波峰处的应力增加。金属波纹管有局部的应力超过了屈服极限，本文只是考虑了金属波纹管在弹性范围内的应力，所以局部屈服不在分析范围内。

　　沿径向的应力分布：预紧时波峰、波谷的应力较大，平坦的中部应力较小。而且波谷处的应力大于波峰的应力。在加压以后，波峰处的应力增大，波谷处的应力有所减小，但还是高于其他位置。因此金属波纹管的疲劳裂纹破坏经常发生在应力较大的波峰波谷处。