胶管接头扣压成型的力学分析_杨务滋

#60#化工设备与管道第41卷
1前言
冷连接技术中,以胶管连接最为普遍。

接头与胶管连接形式有两种:扣压式和可拆式。

扣压式胶管接头结构简单、使用可靠、外形尺寸小、加工方便,采用扣压机进行扣压。

扣压式胶管接头压缩量大小,直接影响着接头连接性能。

这种扣压式胶管组合件是不可拆卸的固定管接头结构,这种结构能在橡胶层和接头间形成很大的夹紧力,接头的密封是由胶管的内胶层借助于外套和芯子使内胶层变形来完成的。

连接强度是利用直接加压外套使胶管得到一定的压缩量,从而紧固编织层(或缠绕层)的钢丝来保证的。

高压胶管由内胶层、增强层和外胶层三个主要部分组成,这三部分对胶管的使用性能和寿命都有重要影响,它们保证了高压胶管的强度、密封性和稳定性。

内胶层处于胶管最里层,保证了高压胶管的密封性,并保护承载增强层(钢丝)免受工作液体的浸浊。

增强层由数层钢丝编织(或缠绕)构成,位于内、外胶层之间,保证高压胶管的强度稳定性和良好的抗拉性能;外胶层保护高压胶管不受外部因素影响。

首批问世的钢丝编织橡胶液压软管是美国橡胶公司在1938年生产的,英国邓录普公司在1939年也开始生产。

70年代末期,钢丝编织和缠绕增强的软管在国内少数厂家生产并开始投入市场[1]。

然而对其扣压过程,一般都把只针对套筒建模进行力学分析,一直没有一个较为完整的力学模型来描述。

本文经过理论推导,得出了总的力学模型,并通过AN-SYS有限元模拟、实验论证对整个胶管接头扣压过程进行了模拟和计算。

从而有利于确定合理的扣压量,提高胶管接头的综合性能。

2理论分析
2.1纤维增强层应力分析
高压胶管是由钢丝增强的胶层层合体构成。

各钢丝绳与胶管母线以一个定值平衡角进行缠绕。

对于单向增强层的正交各向异性,采用虎克定律,将胶管视为异向性圆筒壳进行变形解析。

采用Reissner 型修正理论[2],假设壳体中面的法线在变形后仍保持为直线,但它不再垂直于变形后的壳体中面,而是从它的垂直位置存在一个受横向剪应变限定的角变形,实质上就是考虑了横向剪切变形沿壳体壁厚的平均效应。

取微小壳单元如图1,由物理方程、几何方程、平面微分方程可以获得纤维层变形表达式[2,3]:
w=
(q-q0)R2A 22
A(1)式中A=A22A 22-A12A 12-A26A 26;A 12=A12A66-A16A26;
A 22=A11A66-A16A16;A 26=A11A26-A12A16
A11、A22)为x、y方向刚度系数;
A12)为泊松刚度系数;
A66)为面内剪切刚度系数;
A16、A26)为面内交叉刚度系数;
q)纤维增强层受外部均匀压力;
q0=E c D)内部均压;
D)为压缩量;
E c)表观杨氏模量,E c=3.6(1+2.22S2)E m;
胶管接头扣压成型的力学分析
杨务滋杨国庆杨超
(中南大学机电工程学院,长沙410083)
摘要扣压式胶管接头压缩量大小,直接影响着接头连接性能。

高压胶管由含有钢丝增强层、内外橡胶层组成,具有正交各向异性。

本文采用橡胶复合体理论,将胶管视为异性圆筒壳,并考虑扣压力,研究由多种材料组成的层合圆管中的应力分析方法,建立复合管的力学模型,从理论上得出胶管变形规律,推导出扣压力与扣压量关系,同时通过ANSYS有限元进行了模拟分析,最后通过实验进行了论证。

关键词扣压量胶管总成力学模型ANSY S有限元方法
#61# 2004年第2期
E m)为橡胶弹性模量。

S)形状因数,即承受负荷面积对自由面积之比。

图1壳单元
2.2套筒应力分析
由塑性力学平衡方程式及应变)位移关系式,引用屈雷斯加屈服条件R r-R H=R s,并考虑筒体变形对塑性极限载荷的影响,可得变形后的半径与压差关系式[4]:
v p=R s ln b c
a c
=1
2
R s ln(1+b2-a2
a c2
)(2)式中v p)塑性极限压差载荷;
a c)筒体变形后的内半径。

3橡胶层应力分析
橡胶层由于几何及作用力的对称性,可用橡胶板的压缩理论加以分析。

考虑形状效应,由Gent方法得:
R=E c(1-D)-2-(1-D)/3(3) 4复合管应力分析
根据变形协调条件,套管与纤维增强层及橡胶层之间接触处径向位移一致,故有
w=D h r a=a c+D h r(4)式中D为压缩量,h r为橡胶层厚度。

综合式(1)~(4)可得压缩量与扣压力的关系式:
p=1
2
R s ln(1+C
(a-D h r)2
)+A T
D h r
R2cos2H(1+3sin2H)+3.6(1+2.22(
l
2h r)
2)E m[(1-D)-2-(1-D)]/3(5)
由于弹性阶段比较小,可以忽略,本文考虑的是管道扣压过程中塑性变形阶段。

(5)式和图3的关系:(5)式反映的是扣压力和扣压量的关系,得出类似图4的曲线,由于有限元的求解比理论解更精确,本文没有考虑其曲线变化规律。

图3为扣压到最终胶管总成的应力云图,从中可以反映出套筒明显发生了塑性变形,而芯子的变形很小,在弹性范围内。

3有限元分析
本文考虑的是为<19通径的胶管接头的扣压成型,由于套筒、芯子的尺寸非常复杂,画图比较麻烦,在本次有限元分析中采用了APDL参数化设计[5],只要更改其中某些参数,马上就可以化出同类套筒和芯子,从而有利于不同模型的快速建模,考虑到该模型比较复杂,有必要采取简化。

本文采用轴对称结构平面单元来模拟其在某一扣压力作用下的应力应变的大小与分布规律,芯子和套筒采用QUAD 4NODE182单元,内胶采用MOONEY-RIVLIN2D 4NODE HYPE56单元,钢丝层和中胶层定义为复合材料用QUAD4NODE182单元,中间的结束用TARGE169目标单元和CONTA172接触单元进行模拟。

采用位移加载法,给套筒外表面,加1.5m m的径向位移,定义好约束后求解,从而确定所需扣压力以及应力应变。

图2为其网格化后的单元,共生成2480个节点,2572个元素进行分析定义166个子步进行求解。

可以获得其应力与应变的分布图。

图2有限元的网格划分
图3应力分布云图
从图3可以看出,套筒明显发生了塑性变形,而芯子只是发生了弹性变形。

在进行后处理时采用FSUM命令可以计算出所需扣压力为F=1565489N。

从得出的位移列阵和扣压力列阵,可以确定套筒外表面的位移与扣压力的关系如图4,从图中可以看出,其扣压力随着扣压量的增大不断近似线性递,
其
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在开始的小位移阶段,主要表现为套筒和钢丝层的弹性变形,呈明显的线性特性,随着扣压量的增大,由于钢丝层,内胶层以及芯子的变形,出现了一定的非线性。

图4扣压过程中扣压量与扣压力的关系
4实验论证
实验对象采用<19通径外径<40四层钢丝缠绕
高压胶管总成,在JK300扣压机上进行实验,压力传感器采用ZQ-Y600型,位移传感器采用GA-75型,实验设备为我研究所自行研制的扣压控制系统。

控制器主要模块包括AT89C51芯片、模数转换芯片AD574、多路开关、RS232通信接口。

位移和压力信号经控制器输入到上位机程序。

扣压量由程序调定(这儿可定为1.5mm),通过两个电磁阀控制油缸进退。

如图5所示:实验中测到的是油缸的轴向推力F 和轴向位移S,考虑到油缸锥度,根据平衡条件可以计算出扣压模的径向位移,和径向推力。

F -N sin A -f cos A =0
N cos A -f sin A -Q =0f =L N
(6)
其中A =15b [6]
,在较高的面压下L 较难确定,由于所使用的实验设备考虑到油缸和模座都通过了等离子氮化,并进行磨削表面处理,可以取L =0.1,在扣压
量为1.5mm ,实验测得油压为P=21.85MPa,由F=
PA 可以算出轴向力F=606052N,代入(6)式可以算出实验中的扣压力。

图5模座的受力分析表1实验数据表
通径mm 扣压量m m 实验扣压力
N 仿真扣压力
N 理论计算值
N <19
1.5
1602983
1565489
1477955
5结论
本文从理论分析、ANSYS 模拟分析、以及实验论
证三个方面计算出了高压胶管接头扣压过程中扣压力的大小,并通过ANSYS 的后处理分析了扣压过程
中扣压量与扣压力的关系。

通过实验论证,所建的力学模型,能够正确地反映其力学性能,具有一定的准确性;采用ANSYS 有限元分析方法能更为准确地模拟该扣压过程中的复杂的力学行为,由于本文采用了APDL 参数化设计可以改变高压液压胶管接头的尺寸参数,就计算出不同通径在不同扣压量下所需扣压力,及其应力应变分布云图,为扣压力的求解节约了大量的时间,扣压力与扣压量关系的得出,将有利于实现扣压机的智能化控制,提高胶管接头的综合性能。

参考文献
1王维相,国内外橡胶软管工业现状和发展趋势,橡胶工业.2000,
47(2):117-121
2R.M.琼斯.复合材料力学.上海:科学技术出版社3张志名.复合材料结构力学.北京:航空航天大学出版社4蒋永秋,穆霞英.塑性力学基础.北京:机械工业出版社5王国强.实验工程数值模拟技术及其在ANSY S 上的实践
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西安:西北工业大学出版社2000,4(2),255-259
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