Rigidité : La charge requise pour produire un déplacement unitaire dans un soufflet métallique ou un autre élément élastique est appelée rigidité de l'élément, généralement désignée par « K ». Si les caractéristiques élastiques de l'élément sont non linéaires, la rigidité n'est plus constante mais change avec l'augmentation de la charge. Pour les éléments élastiques de type soufflet-utilisés en ingénierie générale, la tolérance de rigidité est limitée à +/- 50 %. La rigidité du soufflet est classée en rigidité axiale, rigidité en flexion et rigidité en torsion selon la nature de la charge et du déplacement. Dans les applications à soufflet, la grande majorité des charges sont des charges axiales et le déplacement est linéaire. Voici quelques-unes des principales méthodes de calcul de la rigidité axiale des soufflets :
1. Méthode énergétique pour calculer la rigidité du soufflet
2. Formule empirique pour calculer la rigidité du soufflet
3. Méthode numérique de calcul de la rigidité du soufflet
4. Méthode de calcul de rigidité standard EJMA
5. Méthode japonaise de calcul de rigidité TOYO
6. Méthode de calcul de rigidité américaine KELLOGG (nouvelle méthode)
Outre les six méthodes de calcul de rigidité ci-dessus, il existe de nombreuses autres méthodes de calcul de rigidité à l'étranger, qui ne seront pas présentées ici. Les chercheurs chinois en mécanique ont mené des recherches approfondies et des analyses expérimentales sur les soufflets, obtenant des résultats fructueux. Les méthodes de recherche les plus importantes comprennent :
(1) Méthode de perturbation
(2) Méthode des paramètres initiaux d'intégration numérique
(3) Méthode d'équation intégrale
(4) Méthode des éléments finis de perturbation. Toutes ces méthodes peuvent fournir des calculs relativement précis des soufflets. Cependant, en raison de l’application de mathématiques théoriques et informatiques avancées, leur application technique est quelque peu difficile et difficile à maîtriser, ce qui nécessite une vulgarisation et une promotion plus poussées.
Calcul de rigidité lorsque des soufflets métalliques sont utilisés conjointement avec des ressorts hélicoïdaux
Lorsqu'une rigidité élevée est requise lors de l'utilisation, mais que la rigidité du soufflet métallique lui-même est relativement faible, un ressort hélicoïdal cylindrique peut être envisagé pour être placé à l'intérieur ou à l'extérieur du soufflet. Cela améliore non seulement la rigidité de l'ensemble du système élastique, mais réduit également considérablement l'erreur provoquée par l'hystérésis. Les performances élastiques de ce système dépendent principalement des caractéristiques du ressort et de la stabilité de la surface efficace du soufflet.
Rigidité à la flexion du soufflet
Calcul des contraintes des soufflets
En tant que composant d'étanchéité élastique, un soufflet métallique doit d'abord répondre aux exigences de résistance, ce qui signifie que sa contrainte maximale ne dépasse pas la contrainte admissible dans des conditions données. La contrainte admissible peut être obtenue en divisant la contrainte ultime par un facteur de sécurité. En fonction des conditions de travail du soufflet et des exigences d'utilisation, la contrainte ultime peut être la limite d'élasticité, la contrainte critique à laquelle le soufflet devient instable, ou la résistance à la fatigue, etc. Le calcul de la contrainte de service maximale d'un soufflet nécessite d'analyser la répartition des contraintes dans la paroi du soufflet.
La contrainte sur un soufflet est générée par la pression dans le système et la déformation du soufflet. La pression génère une contrainte circonférentielle sur le soufflet, tandis que des contraintes radiales sur la membrane et de flexion sont générées au niveau des parois latérales, des creux et des crêtes de la vague. Les coques minces qui ne peuvent pas résister à la flexion sont parfois appelées membranes, et la contrainte calculée en négligeant la flexion est appelée contrainte de membrane. Les contraintes radiales de la membrane et les contraintes de flexion sont générées lorsque le soufflet se déforme. Lorsque les soufflets fonctionnent, certains supportent une pression interne et d’autres une pression externe. Par exemple, les compensateurs à soufflet et les tuyaux métalliques supportent principalement une pression interne, tandis que les soufflets utilisés pour les joints de tige de vanne supportent généralement une pression externe. Cette analyse se concentre principalement sur la contrainte des soufflets sous pression interne. La capacité des soufflets à résister à la pression externe est généralement supérieure à leur capacité à résister à la pression interne. Avec l'application généralisée des soufflets, des analyses, des recherches et des vérifications expérimentales approfondies des contraintes des soufflets ont été menées, aboutissant à de nombreuses formules de calcul, programmes et graphiques pour la conception technique. Cependant, certaines méthodes sont peu pratiques à utiliser en raison de leurs graphiques ou programmes complexes, tandis que d'autres reposent sur des hypothèses trop simplifiées ou idéalisées, ce qui rend difficile la garantie d'une utilisation sûre et fiable. De nombreuses méthodes n’ont pas été acceptées par la communauté des ingénieurs. Par conséquent, seules quelques méthodes répondent réellement aux exigences pratiques. Deux méthodes couramment utilisées sont les suivantes :
Méthode numérique de calcul de la contrainte du soufflet
Cette méthode suppose que tous les soufflets sont dans les mêmes conditions et n'étudie qu'une seule demi-onde-du soufflet pendant le calcul. Ainsi, les soufflets d’extrémité ne sont pas pris en compte dans l’étude, bien que les conditions aux limites du soufflet d’extrémité soient différentes de celles du soufflet du milieu. La méthode numérique est basée sur E... La solution est dérivée des équations non linéaires proposées par Lesner pour la déformation axialement symétrique d'une coque de révolution à paroi mince-avec une épaisseur de paroi variable. Pour dériver les équations de E. Lesner, des hypothèses générales de la théorie des coques minces-sont appliquées, notamment : l'hypothèse selon laquelle l'épaisseur est très petite par rapport aux rayons principaux de courbure de la coque ; et les hypothèses d'homogénéité et d'isotropie des matériaux. Ces hypothèses introduisent également certaines erreurs dans les calculs. En effet, lors de la fabrication du soufflet, le laminage, l'étirage et le formage plastique ondulé ultérieur de la billette provoquent une anisotropie et une non-uniformité des propriétés mécaniques du matériau.
Méthode de calcul des contraintes de l'américain EJMA
Calcul de la surface effective du soufflet
La surface efficace est l'un des paramètres de performance de base d'un soufflet. Il caractérise la capacité du soufflet à convertir la pression en force concentrée. Dans les applications où des soufflets sont utilisés pour convertir la pression en force concentrée, la surface effective est un paramètre crucial.
Lorsque le soufflet est utilisé dans des instruments à force équilibrée, la stabilité de sa zone efficace affecte directement la précision de l'instrument. Par conséquent, dans de telles applications, non seulement une surface efficace raisonnable est requise, mais la surface efficace doit également rester inchangée pendant le fonctionnement, quelles que soient les conditions de travail.
1. Concept et changements dans la zone effective
La surface effective est une surface équivalente sur laquelle la pression exercée produira une force axiale égale. Généralement, la surface efficace d'un soufflet diminue avec l'augmentation de la pression interne et augmente avec l'augmentation de la pression externe.
2. Surface volumétrique effective d'un soufflet
Le rapport entre la variation de volume d'un soufflet sous l'effet d'une force externe ou d'une différence de pression et la variation correspondante de la longueur effective est appelé surface volumétrique effective.
3. Calcul de la surface efficace d'un soufflet
Les exigences et les méthodes de calcul de la surface effective d'un soufflet dépendent de son utilisation prévue. Si le soufflet est utilisé comme joint élastique ou pour la compensation thermique des canalisations, la surface effective n'est significative que pour le calcul de la force axiale lors de la formation du soufflet et de la poussée dans le système. Il existe souvent une différence entre la surface effective calculée et mesurée d'un soufflet. Généralement, il suffit de calculer la surface effective à l’aide d’une formule spécifique.
Lorsque les soufflets sont utilisés dans des instruments d'équilibrage de force et dans des applications nécessitant la conversion de la pression en force, leur surface effective doit être déterminée avec précision, ce qui nécessite des mesures individuelles.
Sensibilité : Le déplacement d'un soufflet métallique et d'autres éléments élastiques sous une charge unitaire est appelé sensibilité de l'élément. La rigidité et la sensibilité sont les principaux paramètres fonctionnels des soufflets et autres éléments élastiques, mais ce sont deux manières différentes d'exprimer la même caractéristique de performance. Pour différentes situations, l’un ou l’autre paramètre peut être utilisé pour faciliter l’analyse.
Surface effective : pour les éléments élastiques qui réalisent une conversion de pression-force ou de force-pression, un autre indicateur fonctionnel important est la surface effective. La surface effective fait référence à l'ampleur de la force concentrée que l'élément élastique peut convertir lorsque son déplacement est nul sous une pression unitaire.
Durée de vie : les éléments élastiques fonctionnent dans deux états : l'un fonctionne dans certaines conditions de charge et de déplacement, maintenant une charge et un déplacement constants ou peu changeants, appelés fonctionnement statique ; l'autre se produit lorsque la charge et le déplacement changent de manière continue et cyclique et que l'élément est dans un état de fonctionnement cyclique. En raison des différents états de fonctionnement, les modes d'endommagement ou de défaillance de l'élément diffèrent également. Les éléments sensibles élastiques des instruments fonctionnent dans leur plage élastique, essentiellement dans un état de fonctionnement statique, et ont une durée de vie très longue, atteignant généralement des dizaines de milliers à des centaines de milliers de cycles. Les composants de type soufflet-utilisés en ingénierie fonctionnent parfois dans une plage élastique-plastique ou sous contrainte alternée, avec une durée de vie de seulement quelques centaines à mille cycles. Lorsque les composants sont utilisés en fonctionnement cyclique, une durée de vie admissible doit être spécifiée, y compris le nombre de cycles, la durée et la fréquence.
La durée de vie nominale d'un élément élastique est la durée de vie attendue déterminée lors de la conception de l'élément, exigeant que l'élément ne subisse pas de fatigue, de dommage ou de défaillance au cours de cette période.
Performance d'étanchéité : la performance d'étanchéité fait référence à la capacité d'un élément à empêcher les fuites sous une certaine différence de pression interne et externe. Les composants de type soufflet-fonctionnent avec leur cavité interne remplie de gaz ou de liquide sous pression, les performances d'étanchéité doivent donc être garanties. Les méthodes de test des performances d'étanchéité comprennent des tests d'étanchéité pneumatique, des tests de fuite, des tests de pressurisation de liquide et la détection de fuites à l'aide d'eau savonneuse ou d'un spectromètre de masse à l'hélium.
Fréquence naturelle : Les éléments élastiques utilisés dans l’industrie fonctionnent souvent dans des environnements présentant un certain degré de vibration. Certains composants sont utilisés comme pièces d'isolation vibratoire et sont eux-mêmes soumis à des conditions de vibration. Pour les éléments élastiques utilisés dans des conditions particulières, il est essentiel d'éviter que la fréquence naturelle de l'élément (en particulier la fréquence fondamentale) soit proche de la fréquence de toute source de vibration du système afin d'éviter toute résonance et tout dommage. Les composants à soufflet sont largement utilisés dans divers domaines. Pour éviter d'endommager les surfaces résonantes du soufflet, la fréquence naturelle du soufflet doit être inférieure à la fréquence de vibration du système, ou au moins 50 % supérieure.
Température de fonctionnement : La plage de températures de fonctionnement des composants à soufflet métallique est large et est généralement spécifiée avant la conception et la fabrication de l'élément élastique. Certains soufflets à usage spécial-ont des cavités internes qui peuvent résister à l'oxygène liquide (-196 degrés) ou à des températures encore plus basses comme l'azote liquide, avec une résistance à la pression jusqu'à 25 MPa. Les grands joints de dilatation à soufflet (parfois avec un diamètre nominal supérieur à 1 m) utilisés pour les connexions de systèmes de canalisations nécessitent une résistance à la pression de 4 MPa, une résistance à la température de 400 degrés et un certain degré de résistance à la corrosion. L'adaptabilité à la température de l'élément élastique dépend de la résistance à la température du matériau élastique utilisé. Par conséquent, la sélection d'un matériau élastique avec des paramètres de performance en température appropriés en fonction de la plage de températures de fonctionnement de l'élément élastique est essentielle pour fabriquer des composants de soufflet qualifiés.
