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金属波纹管抗弯扭性能有限元模拟及结构优化研究
| 论文题名： | 金属波纹管抗弯扭性能有限元模拟及结构优化研究 |
| 关键词： | 金属波纹管;结构优化;抗弯扭性能;有限元模型 |
| 摘要： | 近年来中国在工业领域取得了跨越式的进步，对能源的需求也更加旺盛，能源开采也逐渐由以陆上开采转为海上开采。金属波纹管以其体积小、重量轻、耐腐蚀性好、柔软性好和密封性强等优越的特性在海上石油开采领域受到广泛应用，被认为是最佳的管道输送元件。所以设计出性能和使用寿命更加优越的金属波纹管，使其能够适应各种复杂工况的要求，具有重要的工程实践意义。 本文在等参数金属波纹管的抗弯和抗扭力学性能数学解析模型的基础上，进一步推导了本团队提出的不等参数金属波纹管抗弯和抗扭力学性能数学解析模型，为不等参数金属波纹管的力学性能计算及结构设计提供了理论支撑。 根据力学性能主要影响因素分别设计了等参数金属波纹管与不等参数金属波纹管在弯扭复合作用下的有限元模型。对比分析了波形结构参数对两种金属波纹管抗弯扭性能的影响规律。结果表明：相同变形条件下，与等参数金属波纹管相比，不等参数金属波纹管弹性极限弯曲线位移明显较大，抗弯刚度得到较大的提高，抗扭刚度则与等参数金属波纹管相近，变形体应力应变峰值明显小于等参数金属波纹管，有着更加突出的抗弯扭综合力学性能。 以有限元仿真结果为样本数据，采用Isight软件，对不等参数金属波纹管在弯扭复合变形条件下进行了基于RBF近似模型的多目标结构优化。在解空间内得到了管坯直径为?80mm不等参数金属波纹管的最优结构参数设计方案：大波波高H12.62mm、大波波峰圆角半径Rc3.98mm、大波波谷圆角半径Rt2.43mm、小波波高h8.92mm、小波波峰圆角半径rc2.87mm、小波波谷圆角半径rt2.06mm。并采用有限元模拟对预测结果进行了验证，验证表明预测结果精度很高。 对管坯直径为?80mm的两组等参数与不等参数金属波纹管分别进行了抗弯扭复合变形试验，通过对疲劳断口进行观察和比较，确认了不等参数金属波纹管抗弯扭综合力学性能更为优越。 |
| 作者： | 刘卫鹏 |
| 专业： | 材料工程 |
| 导师： | 骆俊廷 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 燕山大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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