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  PAGE 1 PAGE 2 波纹管膨胀节的设计及参数化绘图 摘要 膨胀节具有柔性，可自由伸缩弯曲，并具有一定的承压能力，大范围的使用在工业设计和工业生产里。但其结构随温度、压力、位移量不同而不同，因此，对CAD进行二次开发后，能减少设计人员的设计周期，缩短设计周期。 本次设计从CAD及膨胀节的发展入手，通过对膨胀节各项应力分析，选择其合适的工程参数，并对其进行疲劳刚度的计算； 通过对各种二次开发环境及绘图软件的分析，针对此次设计的膨胀节，设计一套膨胀节绘图平台。 本文主要是针对此次设计的膨胀节，进行了选型、应力分析、疲劳刚度计算及失稳反力的计算；根据系统需求和功能分析，选择VB作为其二次开发工具，能轻松实现自动出图功能。 关键词：膨胀节 参数化绘图 cad二次开发 Design and parametric drawing of bellows expansion joint Abstract The expansion joint is flexible, free to flex, and has a certain pressure bearing capacity. It is widely used in industrial design and industrial production. However, its structure varies with temperature, pressure, and displacement. Therefore, after two development of CAD, it can reduce design time and shorten design period.. The design starts with the development of CAD and expansion joints. Through analysis of the stress of the expansion joints, the appropriate engineering parameters are selected and the fatigue stiffness is calculated. Through the analysis of various secondary development environments and mapping software For the design of the expansion joints, design a set of expansion joints drawing platform. This article mainly focuses on the design of the expansion joints, the selection, stress analysis, calculation of fatigue stiffness and instability counterforce calculation; according to system requirements and functional analysis, choose VB as its secondary development tools, can achieve automatic drawing Features. Keywords: expansion joint；parametric drawing；CAD secondary development 目录 TOC \o 1-3 \h \z \u 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1 膨胀节概述 1 1.2 膨胀节发展历史 1 1.3 膨胀节的结构特点及技术发展· 2 1.4 参数化绘图概述 2 第二章 波纹管整体设计及受力分析 3 2.1 设计条件 4 2.2 波纹管选用参数 5 2.3 波纹管相关参数的计算 5 2.4 计算波纹管系数 6 2.5 波纹管材料的选取和材料的机械性能 6 2.6 选用波数 7 2.7 膨胀节位移量和单波轴向当量位移量计算 7 2.8 波纹管各项应力的计算 8 2.9 疲劳计算 9 2.10 应力的组合及评定 10 2.11 刚度计算 11 2.12 失稳计算 11 2.13 膨胀节的反力计算 13 2.14 外压稳定校核惯性矩的计算 14 第三章 参数化绘图 16 3.1 基于VB的AutoCAD二次开发 16 3.2 AutoCAD对象的引用 17 3.3 绘图的基本命令 18 3.4 系统运行环境 20 第四章 经济技术分析 22 第五章 结论与展望 23 5.1 结论 23 5.2 展望 23 参考文献 24 PAGE 21 第一章 绪论 1 第一章 绪论 膨胀节概述 波纹管膨胀节在热力管系中有重要应用，又称为波纹管补偿器，作为重要附件，用于降低热膨胀所产生的应力。热膨胀使工程材料产生极大的应力，会超过材料的屈服极限，造成材料的屈曲变形，并有可能造成断裂，引发工程事故。所以，热膨胀问题使技术人员，特别是管配工程师所重视的。膨胀节便能完美的解决这类问题，通过膨胀节自身的伸缩量来补偿管道的机械位移，使整个管道系统趋于稳定，同时还具备减震降噪、绝热密封的功能，大范围的使用在工业、石化的管道系统。 膨胀节发展历史 在20世纪50年代前，热力管系的热膨胀量主要是依靠大弯管来吸收。大弯管热补偿器结构是靠弯管的挠性变形来吸收热膨胀量，优点是结构相对比较简单，维护方便，不需要专门的补偿器；适用于管壁温度不高，单位长度热膨胀量不大的管系。一般来说，弯管的弯曲半径越大，热补偿能力越强。一种材料的热膨胀力，仅与温度有关，与自身长度无关，所以这种大弯管补偿结构一直是用于承受压力的管道解决热膨胀问题的首选方案。 20世纪50年代后，塔、容器顶部的热补偿结构已经很少见了，有必要进行热补偿的管道逐渐被膨胀节所代替。60年代发展起来的流化催化裂化（FCC）技术由于装置大型化，操作温度和压力增大，两器催化剂循环的大弯管满足不了要求，也被淘汰，改用了膨胀节代替。 最初，膨胀节在热电厂管道系统中使用较多。由于制造技术的落后，缺乏膨胀节设计的原理，在高温承压管系使用较少。20世纪50年代后期，航空、石化、热电工业发展非常迅速，对膨胀节的需求量增大，一些工业发达国家展开了对膨胀节的深度研究，同时膨胀节的成形制造技术也有了较大的提升。膨胀节已不再作为仅仅是一个可以伸缩的管道软接头，而是形成了一个可以同时吸收轴向、横向、弯曲热位移的独立部件。 膨胀节的结构特点及技术发展· 胀节又分为U形波纹管膨胀、矩U形波纹管膨胀节、V形波纹管膨胀节及Ω形波 纹管膨胀节；依据使用条件不同，又分为单一式膨胀节、复式膨胀节、铰链膨胀 节及压力平衡式膨胀节。 波纹管作为金属膨胀节的核心部件，其性能决定了膨胀节的整体性能，在设计后要进行疲劳、刚度及失稳的分析。导流筒是安装在膨胀节内部的一段筒体，主要起保护波纹管的作用。其内径与波纹管波谷内径和短节的内径要保持一定间隙，长度要大于波纹管总长。它的一端应与流体进口端的短节焊接固定，另一端为自由状态。导流筒并不是膨胀节的必需部件，当流体比较干净、流速较慢、无沉淀物时，可不用设置导流筒。短节是波纹管端部与管道或设备相连接时设置的一段接管，它的长度应大于波纹管直管段长度和膨胀节端板厚度、筋板长度的总和，端部还要留一段焊接的余量，厚度一般不应小于相连管道或设备的厚度。 目前，膨胀节存在一些小范围、高风险问题，在大于4.0MPa压力下的膨胀节设计还是一个难点，EJMA标准也在不断研究、修改和完善。我国应充分的发挥我国石化行业膨胀节发展优势，广泛吸纳研究，定时进行行业交流，把研究成果应用于生产，并把国外技术引入国内，逐步的提升这一领域的世界技术水平。 参数化绘图概述 目前国内的机械制造业大多采用的CAD软件是AutoCAD，以二维平面绘图为主，作为辅助绘图工具，在实际的工业生产里，只实现了绘图的功能，在设计上还要靠第三方应用，没有真正发挥其软件绘图、设计于一体的功能。而只有少数的企业针对其自身产品特点进行cad的二次开发，但是功能较弱，只能完成单一的产品设计与绘制。而基于三维绘图软件的二次开发更是少之又少，几乎是一片空白。 为AutoCAD提供二次开发的常用工具目前有五种，分别是ADS、ObjectARX、AutoLISP、VB。随着代化的发展，企业对产品更新换代的要求加快，设计行业对设计速度和质量也提出更高要求，传统手工绘图已经不能够满足要求，计算机辅助设计软件应用而生。通过对AutoCAD进行二次开发，使之更符合客户的真实需求，来提升了生产数量量、制造质量，缩短了产品周期，能充分的发挥CAD的功能。 2014年版本的CAD中首次使用VBA，可由某些程序的用户开发，使复杂的绘图工作变得更轻松简单。 但是VBA作为一个嵌入式编程系统，只能用于单一类型的库，并且不能生成可执行的EXE文件。 而Visual Basic（VB）应用广泛，有自己独立的开发环境，具有可视化的开发平台、结构化的程序设计语言，可通过在VB程序中引用CAD对象库，对CAD中的图形进行绘制编辑操作。因此，此次设计首选VB作为开发工具。 第二章 波纹管整体设计及受力分析 第二章 波纹管整体设计及受力分析 图2.1 烟气进口膨胀节示意图膨胀节作为吸收位移量的常用柔性部件，其在工业、航空领域有很广泛的应用。本次设计拟为某装置第三级多级管分离器内部烟气进口管选用U型膨胀节，进口管直径1m，用来吸收冷壁壳体和高温内件之间的热膨胀差。设计的内容为单式单层U型轴向膨胀节（图2.1）。图2 图2.1 烟气进口膨胀节示意图 图2.1 膨胀节布局图示 本次设计通过对此装置膨胀节的设计，来说明热力管系和各类膨胀节受力的计算过程。波纹管膨胀节在内压和热位移的作用下，波纹管的各项应力计算，核心是波纹管的受力计算。 设计条件 t=650℃ ，p=0.025MPa 表 2.1 设计膨胀量 X向 Y向 Z向 热膨胀量/mm 50 3 0 预变位量/% 50 0 0 （轴向受压） 本次采用了50%的预拉伸变位，否则需要加大选用波数。 波纹管选用参数 管端外径D 波纹高度? 波纹波距ω 管壁层数m 管壁单层厚度δ 管端直边长 波纹管相关参数的计算 当量直径： Dm=D0 波纹管管端内径： Db=D 有效单层壁厚： δm=δ 单波纵向截面积： Ac=mδ =1 =347.6 U形波平均半径： rm=ω 计算波纹管系数 在波纹管应力计算公式中，有三个系数：Cp（波纹管的最大力矩与压力之比）、Cf（波纹管的位移与力之比）及Cd（波纹管的位移与最大力矩之比）。这些系数用于修正用条梁模型建立的σ4、σ5、σ6及fiu的计算公式，EJMA标准直接应用了这些系数，并将这些系数应用于计算公式中，通过试验及有限元分析验证，这些系数具有相当的准确性。有关文献用有限元的方法对此进行了研究，而且提出了系数Cp、 1.82rmD 2rmh= 查表《U形波纹管的计算修正系数Cd》(GB/T 12777-2008 表A. C 查表《U形波纹管的计算修正系数Cf》（GB/T 12777-2008 表A. 查表《波纹管计算系数Cp数值表 Cp》( 波纹管材料的选取和材料的机械性能 波纹管的选材一般要满足以下两个条件： = 1 \* GB3 ①具有较高的高温许用应力和屈服强度，材料的韧性和焊接性能好。 = 2 \* GB3 ②拥有非常良好的抗腐蚀和抗老化性能，特别是在高温下的抗腐蚀和抗老化性能。 选用材料：Inconel 625镍基合金钢，固溶板材料的蠕变温度点取450℃。 成形方法：液压成形。 成形后热处理状态：固溶处理。 材料的机械性能按2013版ASME第二卷中“材料”所提供的数据为基础料在设计温度下的屈服极限按ASME提供的数据趋势延长而得。 表 2.2 设计性能与常温性能 常温性能 设计性能 许用应力[σ]/MPa 184 135 屈服限σs 276 196 弹性模量E/MPa 207 169 选用波数 选用波数 N=4 波纹管计算长度： Lb 膨胀节位移量和单波轴向当量位移量计算 波纹管在吸收横向位移时其实就是一种特殊形式的角位移。当波纹管在管系中时，在两端可能受到不同方向的扭矩，因此形成了波纹管横向位移。但是，由于其管系原因，此横向位移并不是纯角位移，在波纹管上形成的位移是不均匀的，在诸多试验中，得到其位移量与波纹管各波到管中心的距离有关。而单是膨胀节与复式膨胀节又有不同， 单式膨胀节波纹管与波纹长度有关，复式膨胀节波纹管与两组波纹管之间的距离有关。因此，计算由横向位移引起的单波当量轴向位移时，只需将也许会出现在波纹管上的单波最大位移量简化成梁，计算出来。 冷变预变位工况：

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