基于参数化仿真的焊接波纹管的优化设计

一、引言

（一）焊接波纹管的功能特性及应用场景

焊接波纹管是由两成型中空膜片以同心圆的方式作内缘焊接组成膜片对，再将多个膜片对堆垒一起作外缘焊接组成波纹段，再于两端和端板金属焊接组合成波纹管组，是近年来国内外兴起的一种新型元件[1]。焊接波纹管作为关键弹性元件，具位移补偿、密封、减震等功能，广泛应用于石油化工的腐蚀性介质管道、航空航天的高精度位移补偿系统、能源行业的核电站蒸汽管道等，是保障复杂工况设备安全运行的关键元件。

（二）传统设计方法的局限性与参数化仿真的技术优势

传统焊接波纹管设计多依赖经验公式、类比设计及简单力学计算，在参数优化与寿命预测中存在明显局限：经验方法基于有限工程经验，难适复杂工况与个性化需求；简单计算无法全面分析多载荷耦合下的力学性能，亦难精确预测疲劳寿命；且结构参数调整需重新开展大量计算，设计效率低下，难以满足产品多样化与高性能需求。而参数化仿真技术可建立精确参数化模型，全面分析各种工况下的力学与疲劳性能，通过灵活调整参数快速仿真以实现优化设计，还能结合疲劳分析理论预测寿命，为可靠性评估提供科学依据，有效弥补了传统方法的不足。

（三）研究内容与本研究创新点

本文通过阐述焊接波纹管的功能特性与应用场景，揭示传统设计方法的局限性，突显参数化仿真技术优势。详细介绍焊接波纹管的结构、工作原理及参数化建模理论与方法，并结合具体案例进行优化设计与验证，为焊接波纹管的高效设计提供理论与实践依据。

二、焊接波纹管参数化建模与仿真基础

（一）焊接波纹管结构与工作原理

焊接波纹管主要由波形部分、连接端以及焊接部位构成。常见的波形有S 形、U 形、V 形等。不同的波形形状对波纹管的性能影响显著。张弦 [2] 等选取直边S 形波和3 种不同倾斜角（ 30^∘ 、 45^∘ °、 60^∘ ）的斜边S 形波进行耐压性能分析，结果显示斜边波片的耐压性能优于直边波片。端部连接部分用于将焊接波纹管与管道或设备进行连接，常见的连接方式有焊接、法兰连接等。密封元件则确保焊接波纹管的密封性能，防止介质泄漏。

焊接波纹管的工作原理基于其弹性变形特性。当波纹管受到轴向、径向或角向的载荷作用时，波纹部分会发生弹性变形，通过这种变形来吸收或补偿相应方向的位移。在某些控制机构中，波纹管的变形可以作为信号反馈，用于控制和调节系统的运行状态 [3]。在密封应用中，波纹管通过自身的弹性变形与密封面紧密贴合，形成密封屏障，阻止介质泄漏。在管道系统中，当设备或结构发生振动时，波纹管能够将振动能量转化为自身的弹性变形能，从而保护管道系统的完整性。

（二）参数化建模理论与方法

焊接波纹管的参数化建模与分析，是围绕数学建模、三维建模和仿真分析展开的。在数学建模层面，运用数学工具，描述了波纹形状与其力学性能的对应关系。这为后续的性能分析和结构优化提供了必要的理论基础。

在三维建模阶段，借助 SolidWorks、Pro/E 等 CAD 软件的参数化功能，依据实际结构与尺寸关系创建三维模型。通过参数约束和尺寸驱动，确保模型几何关系准确。

仿真分析时，将三维模型导入ANSYS、ABAQUS 等有限元软件，完成网格划分、材料属性定义等基础操作。根据实际工况施加压力、温度等载荷并设置边界条件，利用 APDL、Python 脚本等参数化设计语言，实现仿真过程的自动化和参数化控制，方便快速调整模型参数并进行多次仿真分析，为优化设计提供数据支持。

三、优化设计及案例验证

（一）优化设计

通过参数化仿真分析，获取不同参数组合下焊接波纹管的力学性能和疲劳性能数据。将这些数据作为优化算法的输入，利用优化算法在参数空间中搜索最优解。在搜索过程中，不断调整模型参数，重新进行仿真分析，评估新的参数组合下焊接波纹管的性能。经过多次迭代计算，最终确定满足优化目标和约束条件的最优参数组合。

（二）案例验证

以某化工管道处的金属波纹管连接部位为例 [4]，由于管道附近阀门或泵的无规律启停，运行过程中介质对管道的冲击频繁发生，由此引发的疲劳问题在实际工程结构中屡见不鲜，严重影响管道系统的使用寿命和安全性。

为攻克这一技术难题，研究团队基于 ANSYS Workbench 平台，构建了高精度的 3 层 U 形波纹管参数化模型。模型充分考虑 0.3MPa 内压与 20mm 轴向位移共同作用下的流固耦合复杂工况，通过设计正交试验，对波高、波距、壁厚等5 个关键参数展开系统优化。在参数化分析过程中，科学定义波高（ 26^～27.5mm) ）、波距（ (22^～23.5mm ）等变量范围，运用极差分析方法量化各参数影响权重，结果显示波距对疲劳寿命的影响最为显著，极差值高达94030，远超其他参数。

经反复模拟验证，确定最优参数组合方案为波高 27.5mm 、波距 22mm 、壁厚 0.6mm 。在此方案下，波纹管疲劳寿命从8.8 万周次大幅提升至12.8 万周次，且与实际试验数据误差控制在 5% 以内。这一成果充分证实，参数化仿真与正交试验的深度结合，能够精准高效地提升波纹管疲劳性能，为化工管道系统的优化设计提供了可靠的技术路径与数据支撑。

艾尔肯 . 艾海提等以焊接金属波纹管的膜片为研究对象 [5]，对 S 型与 V 型膜片进行结构形状优化和计算。借助 MSC.Patran 建立 S 型与 V 型膜片 1/4 参数化三维模型，通过 MSC.Nastran 对比应力分布，以曲率半径、波深为变量优化 S 型膜片内径圆弧参数，减少应力集中。仿真结果表明，S 型膜片的最大应力相较于 V 型膜片降低了 20% ；经过参数优化后，S 型膜片应力集中区域的应力更是大幅降低 70% ，疲劳寿命得到显著提升。这充分证明了参数化仿真技术在膜片优化设计中具有显著效果，为化工管道系统的稳定运行提供了可靠的技术支持。

四、总结

综上所述，参数化仿真技术为焊接波纹管优化设计提供了科学路径，有效突破传统设计局限，显著提升产品性能与设计效率，在复杂工况适应性与寿命预测中优势显著，对推动该元件在多领域应用具重要工程价值。

参考文献：

[1] 黄笑梅 , 芮训诚 . 影响焊接波纹管刚度及承压能力的参数研究 [J]. 机械设计与制造 ,2014(11):134-137

[2] 张弦 , 马咏梅 , 丁万 , 陶帅 , 王庆 . 焊接金属波纹管波形结构参数优化分析 [J]. 石油化工设备 ,2016,45(6):1-6

[3] 王宏飞 , 尼加提·玉素甫 , 买买提明·艾尼 .S 形焊接金属波纹管振动特性分析 [J]. 机床与液压 ,2021,49(8):147-151

[4] 宓乐峰 , 孙丹 , 王旭 , 李天祥 . 基于正交试验的波纹管结构参数优化及疲劳寿命分析 [J]. 压力容器 ,2023,40(3):38-46

[5] 艾尔肯 . 艾海提 , 古丽巴哈尔 . 若孜 , 穆塔里夫 . 阿赫迈德 . 焊接金属波纹管膜片的有限元分析和优化设计 [J]. 机械制造 ,2009,47(12):19-20