بررسی روابط تحلیلی و مدل‌‌سازی کمانش غیرخطی در فانوسی‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه خواجه نصیر تهران

2 دانشگاه خواجه نصیر

چکیده

فانوسی‌ها یکی از اجزای پرکاربرد در بسیاری از صنایع می‌باشند. غالبا داخل این اجزاء سیالی در حرکت بوده و از فانوسی به عنوان جبران‌کننده طول، نشت‌بند و جاذب ارتعاشات استفاده می‌شود. کارکرد فانوسی‌ها معمولا تحت فشار بوده و افزایش بیش از حد فشار موجب کمانش در فانوسی می‌شود. در فانوسی‌ها دو نوع کمانش رخ می‌دهد که با نام کمانش ستونی و کمانش درون صفحه‌ای شناخته می‌شوند. در این مقاله ابتدا به بررسی روابط تحلیلی ارائه شده پیرامون کمانش فانوسی پرداخته شده سپس با استفاده از نرم‌افزار اجزاء محدود آباکوس کمانش فانوسی‌ها مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن با نتایج تجربی موجود در منابع مقایسه شده است. بر اساس نتایج به‌دست آمده هرچند تحلیل الاستیک پدیده کمانش در فانوسی‌ها شکل مود‌های صحیح و قابل قبولی را نتیجه می‌دهد اما فشار کمانش به‌دست آمده از این تحلیل چندین برابر فشار تجربی می‌باشد. سپس با اعمال نقص به‌صورت جابه‌جایی هم شکل با چند مود ابتدایی کمانش سازه و تحلیل غیرخطی با استفاده از نمودار نیرو-جابه‌جایی، بار کمانش سازه محاسبه گردیده است. در ادامه تعداد مودها و میزان اعمال جابه‌جایی اولیه مورد نیاز با مقایسه نتایج تحلیل عددی با نتایج تجربی موجود مورد بررسی قرار گرفته و همگرایی مناسبی بین نتایج تحلیل عددی و نتایج تجربی به وجود آمده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Study of the Analytical Solutions and Modelling of Nonlinear Buckling in Bellows

نویسندگان [English]

  • mohammadhasan hajbagheri 1
  • Amir reza Shahani 2
1 Msrt graduated, mechanical engineering faculty, khaje nasir university, tehran,,iran
2 Department of Mechanical Engineering, Khaje Nasir Toosi University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Bellows are one of the widely used elements in various industries. These elements often contain an internal fluid flow and they are used as the length compensator, vibration absorber, and sealer. Usually, they are under pressure and out of range increasing in pressure can cause buckling of bellows. There are two types of buckling in bellows known as column buckling and in-plane buckling. In this paper first, a comprehensive study was done on analytical solutions of bellows buckling in the literature and then both types of buckling were investigated by using finite element method software ABAQUS and the results were compared with the experimental results that had been reported in references. According to the results, although elastic analysis of bellows buckling gives correct mode shapes, the buckling pressure is several times as much the experimental one. Then, buckling pressure is computed by applying imperfection according to the primary buckling mode shapes and nonlinear analysis was done by the use of the pressure-displacement curve. Finally, the necessary number of buckling mode shapes applied as imperfection and the amount of the mode shape amplitude required was investigated by comparing the results with the experimental one and finally good agreement with experimental results was obtained.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bellows
  • Nonlinear buckling
  • finite element method
  • Imperfection
[1] E.J.M. Asssociation, Standards of the Expansion Joint Manufacturers Association, in, 2008.
[2] ASME, ASME boiler and pressure vessel code, in:  division I&II, 2007.
[3] B. standards, Unified Pressure Vessels, in:  Design, 2009.
[4] W.Flugge, Stresses in shells, Springer-Verlag, 1989.
[5] T.M. Trainer, e. all, Final Report on the Development of Analytical Techniques for Bellows and Diaphragm Design, in:  Air Force Rocket propulsion Laboratory Research and Technology Division Air Force Systems Command, California, 1968.
[6] K. Tsukimori, e. al, A simplified analysis method for buckling of bellows under internal pressure and its validation tests, in:  sixth international conference of PVP, 1986, pp. 663-670.
[7] K. Tsukimori, K. Iwata, The Buckling Behavior of U-Shaped Bellows under Pressure Loads, Int. J, Pres. Ves. & Piping, 44 (1990) 365-380.
[8] C.Becht, Behavior of bellows, Memorial University Of Newfoundland 2000.
[9] H. Jian, e. all, In-Plane Instability of U-Shaped Bellows Subjected to Pressure Loadings, Int. J. Pres. Ves. & Piping, 51 (1992) 229-240.
[10] A.K. Belyaev, e. all, Theoretical and experimental studies of the stress–strain state of expansion bellows as elastic shells, St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics 3(2017) 7-14.
[11] D.K. Williams, Buckling considerations for u-shaped bellows utilized in flexible metal hoses, in:  ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, 2005.
[12] W. Forde, S. Stiemer, Improved Arc-Length Orthogonality Methods for Nonlinear Finite Element Analysis, Computers and Structures, 27 (1987) 625-630.
[13] ASM, Atlas of Stress-Strain curves, 2 ed., 2002.
[14] S. DASSAULT, SIMULIA UserAssistance 2019,  (2019).