赵家鑫，皇涛，宋克兴，张学宾，蒋宇宁，郝留成

应用技术

基于瞬态动力学分析的波纹管结构优化

赵家鑫1a,1b，皇涛1a,1b，宋克兴1a,1b，张学宾1a,1b，蒋宇宁1a,1b，郝留成2

（1.河南科技大学 a.材料科学与工程学院 b.河南省有色金属材料科学与加工重点实验室，河南 洛阳 471023；2.平高集团有限公司，河南 平顶山 467000）

优化波纹管结构尺寸，最大程度地减小波纹管的应力集中，提高波纹管的疲劳寿命。利用ANSYS Workbench对真空灭弧室用波纹管进行参数化建模，对其耦合速度压力复杂工况进行瞬态动力学分析，借助DOE（Design of Experiment）技术对波纹管关键几何参数进行单目标优化设计，对优化结果进行强度校核和疲劳寿命计算。优化结果符合设计要求，波纹管在耦合速度压力复杂工况下满足强度的同时，最大等效应力减小了28.8%，疲劳寿命由3 064次提高到32 260次。优化后的结构有效减小了波纹管危险部位的应力集中，疲劳寿命得到提高。

结构优化；动力学分析；参数化建模

波纹管是具有轴对称结构特征的管状壳体，在外载荷作用下会发生大变形[1]，作为真空灭弧室中的密封和连接元件，其决定真空灭弧室机械寿命，获得合理的结构参数有利于提高波纹管疲劳寿命[2-4]。液压成形是生产波纹管常用的成形方式，结构尺寸与成形质量密切相关，如果结构设计不合理，液压成形过程中易产生起皱、壁厚不均、破裂等缺陷。基于有限元仿真法进行波纹管结构参数优化设计不仅能提高其在力学、运动学和结构上的科学性，获得最优设计方案，而且还可以提高效率。……