金属软管轴向静刚度特性试验研究.pdf
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1、书书书第 卷第 期压力容器 年 月 :檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐 试 验 研 究金属软管轴向静刚度特性试验研究王亚军,陈鼎铭,贺启林,方红荣,周浩洋(中国航天电子技术研究院,北京 ;北京宇航系统工程研究所 深低温技术研究北京市重点实验室,北京 )摘要:针对目前对航天管路系统金属软管静刚度特性认识有限的问题,对金属软管开展了轴向刚度试验研究。通过设计轴向刚度试验,考虑了无内压状态和充压 状态下的拉伸、压缩工况,获得了 种不同规格的金属软管试验件的刚度曲线。试验结果表明,软管的轴向刚度表现出了高度非线性,在低刚度阶段两试件的刚度分别为 和 ,在高刚度阶段两试件的刚度则分别大于 和 。
2、使用数字图像法,获取了轴向拉伸时网套的编织角变化及外径变化信息,分析了几何非线性和边界非线性因素对软管刚度的影响,提出了基于接触的金属软管非线性力学行为解释。使用有限元仿真方法,对金属软管轴向拉伸过程中的刚度非线性变化进行了复现,验证了基于接触的金属软管非线性力学行为解释的可靠性。为金属软管刚度非线性的进一步分析提供参考。关键词:金属软管;钢丝网套;静力学试验;刚度非线性;数字图像法中图分类号:;文献标志码:,(,;,):,:;收稿日期:修稿日期:基金项目:国防基础科研计划项目(),引言航天管路系统常使用以波纹管为代表的补偿器 ,对装配误差、热变形及内压、振动等产生的位移进行补偿,保证管路连接
3、结构工作时的可靠性。其中金属软管(见图 )在波纹管的基础上,外围包覆了钢丝编织的网套,可提高波纹管的承载能力,并对其起到保护作用。图 带金属软管管路 目前,国内对金属软管的生产设计缺乏标准 ,在使用金属软管时存在产品性能分散度大、实际力学性能和设计指标不符等问题 。在管路结构分析时金属软管的静动力学特性是重要的输入参数,因此亟需获得金属软管的静动力学特性及力学特性的参数影响规律,其中软管静力学特性尤其是轴向刚度特性是其力学特性研究的基础工作。获取静刚度最为直观和可靠的方法为试验法。韩淑洁等 对网套补偿器进行了轴向拉压刚度的试验研究,试验结果表明网套和波纹管端部连接工艺对整体轴向刚度有影响。盛冬
4、平等 对网套补偿器进行了轴向拉压及弯曲刚度试验,并与有限元结果进行了对比。杨燕等 建立了补偿器的接触 耦合混合有限元模型,并将轴向刚度 的 仿 真 结 果 与 试 验 结 果 进 行 了 对 比。等 研究网套补偿器的轴向拉伸性能时提出网套的正交异性本构,以模拟非线性拉伸试验曲线;胡牧原等 在此基础上也做了网套补偿器的轴向拉伸试验研究,且发现在拉伸试验曲线的后半段非线性变化更强,需修正正交异性本构。等 建立了网套补偿器的实体仿真模型,并比较了轴向拉伸工况下仿真结果和试验结果的一致性。综上,目前对金属软管的刚度试验研究偏少,并且试验工况主要为拉伸工况,涉及到压缩及充压工况的较少。对于有限的轴向拉伸
5、试验数据,常局限于小位移范围内,对其轴向静刚度特性认识有限、机理和规律分析不足。本文以两种不同规格的金属软管为研究对象,进行轴向拉压及充压情况下的轴向变形刚度试验,使用数字图像法获取试验过程中的变形信息,对软管轴向变形的非线性力学特性进行讨论,并使用有限元仿真方法对软管轴向拉伸过程中的刚度非线性变化进行复现。该研究可为后续金属软管分析研究提供参考。软管轴向刚度试验 试验件参数从压力管路系统常用金属软管中选取 种典型规格进行试验。软管由网套、波纹管和接头组成(见图 ),其中,接头的刚度远大于网套和波纹管,对整体的刚度影响很小,在分析时可忽略。图 金属软管结构示意 波纹管是金属软管中的挠性元件,起
6、着输送流质的作用。各软管中波纹管的规格见表 。表 试验所用金属软管中波纹管规格 试件编号内径 波纹管外径 成型后层厚度 层数波距 波数 波纹管单独使用时轴向刚度较低,两试件中波纹管的实测轴向刚度见表 。表 金属软管中波纹管轴向刚度 项目(内)(内)刚度()波纹管刚度随轴向拉伸有所增大,但增幅有限,在一定范围内可视为常值。两试件中钢丝网套的规格如表 所示。金属软管中波纹管材料统王亚军,等:金属软管轴向静刚度特性试验研究一 为 不 锈 钢,网 套 统 一 由 高强冷拉钢丝编织而成。表 金属软管中网套规格 试件编号外直径 有效长度 编织角()钢丝直径 锭数每锭钢丝数 试验方法软管两端加装法兰与试验机
7、连接,移动端的工装焊接管嘴便于进行后续充压试验。通过万能材料试验机 实现轴向拉伸和压缩加载,加载时软管的一端固定,另一端施加给定的位移载荷(见图 ),通过试验机程序控制加载速度和终止条件。在试验过程中,采用数码相机同步记录网套几何变化。图 轴向刚度试验测试前照片 未充压工况下轴向刚度试验金属软管为非线性柔性元件,为保证试验结果的可靠性,在未充压状态下每个试件先进行拉伸试验,拉伸 次之后将试件调整回初始状态再进行 次压缩试验。取每种模式下第二或第三次试验中曲线较稳定的、重复性较好的进行后续分析。未充压状态下轴向刚度试验过程中的试验机设定以及相机记录设定如表 所示。表 未充压状态轴向刚度试验设定
8、试件编号模式设定位移 速率()拍照间隔 拉伸 拉伸 压缩 压缩 充压工况下轴向刚度试验进行轴向刚度试验之前先以氮气为工质,将金属软管内压充至 ,充压时软管固定端安装在试验机上,移动端不与试验机连接,使得软管可以在压力作用下轴向伸长,内压稳定后再安装移动端。每个试件先进行拉伸试验,拉伸 次后将试件调整回初始状态再进行 次压缩试验。取每种模式下第二或第三次试验中曲线较稳定的、重复性较好的进行后续分析。未充压状态下轴向刚度试验过程中的试验机设定以及相机记录设定见表。表 充压状态轴向刚度试验设定 试件编号模式设定位移 速率()拍照间隔 拉伸 拉伸 压缩 压缩 图像处理方法为分析软管轴向力学特性与几何变
9、化之间的关系,试验过程中记录下了网套的变形图像。从图像中主要分析网套中间区域编织角的变化以及沿着软管轴向网套外径的变化。编织角测量通过数码相机获取网套表面图像信息后,使用 软件处理图像。相机捕捉到的钢丝表面各点光线强度不同,其中钢丝凸起部分亮度高,钢丝边界的下凹部分亮度低,因此通过一系列图像处理步骤(见图 )分离亮度不同的区域,可以得到钢丝的大致走向。图 提取钢丝路径的图像处理流程 具体来说,首先增强图像的局部对比度,以提高钢丝凸起和下凹部分的灰度区别;之后使用最小误差法对图像的灰度图进行二值化处理,用黑色像素标识出钢丝边界;最后进行骨架提取,提取出宽度为单个像素的钢丝路径。以试件 压缩试验过
10、程中的网套图像为例(见图 ),经过处理后可得到清晰的钢丝路径。分别测量视场范围内左右两旋向的钢丝与竖直方向的夹角,取平均后即 ,为网套中间区域的钢丝编织角,对试验过程不同时刻的图像进行测量后即可得到编织角的变化规律。()时网套变形()时网套变形图 试件 未充压状态下压缩试验过程的编织角变化 网套外径测量通过测量网套左右边界测点处水平方向上的像素数量,可获得用像素表示的某一时刻的网套外径的相对长度(见图 )。()时刻测点处网套外径()时刻测点处网套外径图 试件 未充压状态下拉伸过程的网套外径测量 结合网套原始外径的像素长度,定义 时刻网套的径向变化率 。()在实际试验的初始状态下,网套总是存在不
11、同程度的预变形,网套外径分布不均匀,而网套末端与边条焊接,径向不发生变化,因此以网套末端的外径测量值为基准,计算各时刻的网套径向变化率。结果与讨论 力 位移与刚度 位移曲线 未充压拉伸试验获得的金属软管拉伸力 位移曲线如图 ()所示,两条曲线都表现出显著的非线性特征,并具有相似的变化规律:在曲线初始拉伸阶段近似为线性,将其定义为低刚度阶段;拉伸至一定位移后反力急剧上升,将其定义为过渡阶段,此阶段力 位移曲线非线性最显著;随着金属软管拉伸位移继续增加,力 位移曲线又有回归线性的趋势,曲线进入高刚度阶段。图 未充压状态下的金属软管轴向拉伸曲线 由拉伸力 位移曲线可得到刚度 位移曲线(见图 (),试
12、验起始阶段存在数值波动。两试件的刚度 位移曲线在低刚度阶段基本为水平线,进入过渡阶段之后刚度开始升高并且刚度 位移曲线的斜率也随位移增加而变大,进入高刚度阶段后刚度 位移曲线的斜率则开始下降。以刚度 位移曲线的斜率变化作为软管各阶段的划分依据,表 示出了试验件各阶段对应的位移范围、对应反力及参考刚度。参考表 中的波纹管的刚度数据可知,试件 、试件 在低刚度阶段的刚度与波纹管刚度处于同一量级,波纹管贡献了金属软管的大部分刚度;过渡阶段之后,软管的刚度已经远大于波纹管刚度;而高刚度阶段钢丝网套贡献了主要刚度。考虑到金属软管的工程使用需求,根据表 中参数可知:()由低刚度阶段进入过渡阶段所需的反力较
13、小,因此当金属软管两端存在压力推力或装配张力时容易进入过渡阶段;()过渡阶段起点对应的拉伸位移较大,这一位移量可以作王亚军,等:金属软管轴向静刚度特性试验研究为补偿范围极限的参考;()刚度在过渡阶段和高刚度阶段不为常数,并且与低刚度阶段相差数十倍,必须先确定金属软管处于何种状态,之后才能确定该种状态下的刚度。表 未充压状态下金属软管拉伸曲线参数 试件编号低刚度阶段平均刚度()过渡阶段起点 过渡阶段起始反力 高刚度阶段起点 高刚度阶段起始反力 高刚度阶段起始刚度()未充压压缩软管未充压状态下弹性范围内可容许压缩量比拉伸量大得多,各试验件轴向压缩力 位移曲线如图 ()所示,非线性较弱,没有明显的分
14、段。由软管拉伸力 位移曲线得到刚度 位移曲线如图 ()所示。各试件刚度水平较为平稳,刚度随压缩位移增大而缓慢降低。图 未充压状态下的金属软管轴向压缩曲线 表 列出了不同压缩率时各软管的刚度。试件 、试件 的初始压缩刚度与拉伸曲线低刚度阶段的刚度基本相同,并且之后的压缩刚度变动较小。这表明对于试件 、试件 来说,未充压状态下的压缩过程也处于低刚度阶段。表 未充压状态下金属软管压缩刚度 试件编号压缩率为 时压缩刚度 ()压缩率为 时压缩刚度 ()压缩率为 时压缩刚度 ()由以上试验结果可知,软管未充压状态下的轴向拉压过程可根据刚度特性划分为低刚度阶段、过渡阶段和高刚度阶段,其中压缩过程处于低刚度阶
15、段。充压拉伸充压之后软管的力 位移曲线(见图 ()整体近似线性。从刚度 位移曲线(见图 ()来看,排除试验起始阶段的数值震荡,各试件的刚度都在开始拉伸时快速上升,上升至一定水平后基本稳定,这一变化规律与未充压状态下拉伸曲线由过渡阶段向高刚度阶段的转变是相同的。图 充压状态下的金属软管轴向拉伸曲线 软管充压之后,两端在压力推力的作用下预先拉伸,因此充压状态下软管初始拉伸刚度 应当接近软管未充压状态下两端反力等于压力推力时的拉伸刚度,见表 。均大于,二者误差最大为 ,产生误差的主要原因是充压后波纹管径向变形,使得结构刚化。表 金属软管充压及未充压状态下拉伸曲线参数对比 试件编号压力推力充压后初始刚
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