[发明专利]一种波纹管结构优化方法及波纹管

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种波纹管结构优化方法及波纹管，属于波纹管技术领域。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种波纹管结构优化方法，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。