金属软管辅助设计软件的研发

周强

（南京工业大学，江苏 南京 210009）

摘要：从工程应用的需要出发，利用计算机技术，对金属软管设计技术进行了分析和研究，开发了金属软管辅助设计系统，提高了产品方案设计的效率和质量，增强了企业的市场竞争力。

关键词：金属软管；计算机辅助设计；设计软件

中图分类号：TU990.3;TU995.3

Development of Design System of Bellows Metallic Hose

Zhou qiang, Li Yong-sheng

(Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China)

Abstract: According to engineering requirement, with the computer technology, an rapid design system of bellows metallic hose has been realized which improves the product quality and design efficiency greatly.

Key words: metallic hose；CAD；design software

金属软管主要用于管路的位移补偿和柔性连接，它由波纹管、网套、接头三部分组成，波纹管是金属软管的本体，起着挠性作用，网套起着承压、屏蔽的作用。金属软管由于具有柔性好、质量轻、耐腐蚀、吸振等优点，已在工业、交通、城建、运输、仓储、消防等国民经济诸多领域广泛使用。当前我国金属软管的生产，通常是参照GB/T 14525-1993 《波纹金属软管通用技术条件》的规定进行，软管的设计计算包括弯曲半径、疲劳寿命、自振频率、爆破压力等，至今尚无统一的规范，因此在工程应用上金属软管存在着一定的隐患。本中心通过对金属软管设计原理和力学性能的综合分析，研究开发了辅助设计软件，使得金属软管的设计和校核工作变得既科学又简便，下面谨就金属软管辅助设计软件的研发内容逐一介绍。

1、软件的功能和特点

金属软管辅助设计软件的研发主要依据国内外相关技术标准，结合多家企业实际使用经验。软件采用Visual Basic 6.0开发环境，用ADO方式联接Access数据库，生成菜单、按钮结合对话框的用户界面形式，各模块可以独立运行，使得操作简易、快捷。

软件内容要求在输入压力、温度、通径和材料的情况下，能自动给出金属软管的网套参数、承载能力、爆破压力、弯曲疲劳寿命、自振频率以及软管的最小长度。

2、 软件流程设计

金属软管的设计流程可概括为：

3.网套的设计

金属软管的承压能力主要由网套决定，对于中底压力管道，一般用钢丝编织网套；压力较高的可采用金属钢带。网套的设计主要考虑网套的厚度、编织角度、编织密度、爆破压力等参数之间的关系。通过这些参数的反复调整进行计算和校核，使得网套既要满足特定的强度，也要有一定的柔性。本软件采用两种设计模式，如既可以根据钢丝的根数（或钢带的厚度）计算最大爆破压力，也可以根据工作压力计算所需的钢丝根数。

图2 金属软管钢丝网套的设计界面示意

金属软管的网套、管体和接头在不同工作环境下配置和装配方式也有所不同，本文综合多年金属软管使用的实际经验，将金属软管结构的内在关系描述成经验规则，这些规则成为系统自动判断输入参数是否合理的依据。设计人员在使用软件的时候,难免由于疏忽或对金属软管结构的不甚了解而输入不合理的参数,这时系统会根据内部设定的规则弹出对话框进行提示。如图3所示为钢带宽度偏大的提示信息。

图3 参数不合理时触发的提示信息示意图

4.软管弯曲疲劳寿命的设计

在金属软管的诸多性能中，弯曲疲劳寿命是比较重要的，而弯曲疲劳寿命的计算又比较复杂，在国家标准上也只提供了实验的方法，而无明确的计算公式。本中心经研究认为：软管的弯 曲疲劳寿命主要取决于管体。而波纹管体的疲劳寿命可以根据EJMA或GB/T12777 来进行计算。对于金属软管，一般只注明其弯曲半径。当金属软管弯曲时，其实就相当于管体承受了一定的角向位移，根据力学结构关系可换算出对应的角位移。再由角位移换算出相应的单波当量轴向位移，然后用对应公式计算得到波纹管的循环疲劳寿命。最后根据工况条件再加以修正就得到金属软管的弯曲疲劳寿命。在有些场合，由于脉冲、振动等原因造成的软管损坏甚至比弯曲疲劳更大，因此本文在计算弯曲疲劳寿命时也给出了软管自振频率的结果，以便在工程应用中避开共振。图4 为金属软管弯曲疲劳寿命的设计界面。

图4 金属软管弯曲疲劳寿命的设计界面示意图

5.弯曲半径设计

金属软管的弯曲半径直接关系到它的疲劳寿命，其实际弯曲半径越大，疲劳寿命就越小。因此GB/T 14525-1993 《波纹金属软管通用技术条件》规定了各种通径下的最小动态弯曲半径和最小静态弯曲半径。为方便设计人员的查询，在本系统中只需输入软管通径就能自动得到最小动态弯曲半径和最小静态弯曲半径。而软管的疲劳寿命主要由管体的结构决定，因此在本系统的管体设计中通过对管体参数的调整可以使得软管的弯曲半径和疲劳寿命均符合工程实际需要。

6.典型补偿形式的长度计算

在不同使用环境下的软管长度的计算方法也不相同，根据软管安装形式，可以分为U形垂直移动形式、U形水平移动形式、角向运动(摆动)形式、横向偏移形式、减震90°弯 曲形式、减震垂直弯曲形式等。软件对各种安装形式下软管长度的计算进行了归纳，下面以横向偏移形式为例进行说明，如图5所示。

图5 金属软管横向偏移安装形式

其中：EL为初始安装距离，L为软管长度，L1、L为刚性端长度，Z为两端不变形长度，θ为弯曲角度，Y为横向偏移距离。

设R为软管的最小动态弯曲半径，由图5可得Y与θ的关系：

则有:

根据弯曲角度得软管长度为:

初始安装长度为：

图6即为U形垂直移动形式下金属软管长度的计算界面。

图6 金属软管横向偏移安装形式长度的计算界面示意图

3、 结论

本文利用Visual Basic 6.0开发工具和计算机数据库技术，综合金属软管设计和制造方面的技术和经验，开发了金属软管设计软件，借此，可以提高设计可靠性、减少工作量，进而提升企业的竞争力和经济效益。

参考文献

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