Rigidità: il carico richiesto per produrre uno spostamento unitario in un soffietto metallico o altro elemento elastico è chiamato rigidità dell'elemento, solitamente indicata con "K". Se le caratteristiche elastiche dell'elemento non sono lineari, la rigidezza non è più costante ma cambia all'aumentare del carico. Per gli elementi elastici del tipo a soffietto-utilizzati nell'ingegneria generale, la tolleranza di rigidezza è limitata a +/- 50%. La rigidezza del soffietto è classificata in rigidezza assiale, rigidezza alla flessione e rigidezza torsionale a seconda della natura del carico e dello spostamento. Nelle applicazioni a soffietto, la stragrande maggioranza dei carichi sono carichi assiali e lo spostamento è lineare. Di seguito sono riportati alcuni dei principali metodi per calcolare la rigidezza assiale dei soffietti:
1. Metodo energetico per il calcolo della rigidezza dei soffietti
2. Formula empirica per il calcolo della rigidezza del soffietto
3. Metodo numerico per il calcolo della rigidezza dei soffietti
4. Metodo di calcolo della rigidezza standard EJMA
5. Metodo giapponese di calcolo della rigidità TOYO
6. Metodo di calcolo della rigidezza americano KELLOGG (nuovo metodo).
Oltre ai sei metodi di calcolo della rigidezza sopra menzionati, esistono molti altri metodi per calcolare la rigidezza all'estero, che non verranno introdotti qui. I ricercatori cinesi di meccanica hanno condotto ricerche approfondite e analisi sperimentali sui soffietti, ottenendo risultati fruttuosi. I metodi di ricerca più importanti includono:
(1) Metodo delle perturbazioni
(2) Metodo dei parametri iniziali di integrazione numerica
(3) Metodo dell'equazione integrale
(4) Metodo delle perturbazioni agli elementi finiti. Tutti questi metodi possono fornire calcoli relativamente accurati dei soffietti. Tuttavia, a causa dell’applicazione di matematica teorica e computazionale avanzata, la loro applicazione ingegneristica è alquanto difficile e sono difficili da padroneggiare, richiedendo ulteriore divulgazione e promozione.
Calcolo della rigidità quando i soffietti metallici vengono utilizzati insieme alle molle elicoidali
Quando è richiesta un'elevata rigidità durante l'uso, ma la rigidità del soffietto metallico stesso è relativamente bassa, si può considerare che una molla elicoidale cilindrica sia posizionata all'interno o all'esterno del soffietto. Ciò non solo migliora la rigidezza dell'intero sistema elastico ma riduce anche notevolmente l'errore causato dall'isteresi. La prestazione elastica di questo sistema dipende principalmente dalle caratteristiche della molla e dalla stabilità dell'area effettiva del soffietto.
Rigidità alla flessione dei soffietti
Calcolo dello stress dei soffietti
Essendo un componente di tenuta elastico, un soffietto metallico deve prima soddisfare i requisiti di resistenza, ovvero la sua sollecitazione massima non supera la sollecitazione ammissibile in determinate condizioni. La tensione ammissibile può essere ottenuta dividendo la tensione ultima per un fattore di sicurezza. A seconda delle condizioni di lavoro e dei requisiti di utilizzo del soffietto, la sollecitazione ultima può essere la resistenza allo snervamento, la sollecitazione critica alla quale il soffietto diventa instabile o la resistenza alla fatica, ecc. Per calcolare la sollecitazione massima di esercizio di un soffietto è necessario analizzare la distribuzione delle sollecitazioni all'interno della parete del soffietto.
La sollecitazione su un soffietto è generata dalla pressione nel sistema e dalla deformazione del soffietto. La pressione genera sollecitazioni circonferenziali sul soffietto, mentre le sollecitazioni radiali sulla membrana e di flessione vengono generate sulle pareti laterali, sugli avvallamenti e sulle creste dell'onda. I gusci sottili che non possono resistere alla flessione sono talvolta chiamati membrane, e lo stress calcolato trascurando la flessione è chiamato stress di membrana. Lo stress radiale della membrana e lo stress di flessione vengono generati quando il soffietto si deforma. Quando i soffietti sono in funzione, alcuni sopportano la pressione interna e altri sopportano la pressione esterna. Ad esempio, i giunti di dilatazione a soffietto e i tubi metallici sopportano principalmente la pressione interna, mentre i soffietti utilizzati per le guarnizioni degli steli delle valvole generalmente sopportano la pressione esterna. Questa analisi si concentra principalmente sullo stress dei soffietti sotto pressione interna. La capacità dei soffietti di resistere alla pressione esterna è generalmente superiore alla loro capacità di resistere alla pressione interna. Con la diffusa applicazione dei soffietti, sono state condotte analisi approfondite, ricerche e verifiche sperimentali delle sollecitazioni dei soffietti, che hanno prodotto numerose formule di calcolo, programmi e grafici per la progettazione ingegneristica. Tuttavia, alcuni metodi sono scomodi da utilizzare a causa dei grafici o dei programmi complessi, mentre altri fanno presupposti eccessivamente semplificati o idealizzati, rendendo difficile garantire un utilizzo sicuro e affidabile. Molti metodi non sono stati accettati dalla comunità ingegneristica. Pertanto, solo pochi metodi soddisfano realmente i requisiti pratici. Due metodi comunemente utilizzati sono i seguenti:
Metodo numerico per il calcolo della sollecitazione dei soffietti
Questo metodo presuppone che tutti i soffietti siano nelle stesse condizioni e studia solo una singola semi-onda del soffietto durante il calcolo. Pertanto nello studio non vengono presi in considerazione i soffietti terminali, sebbene le condizioni al contorno dei soffietti terminali siano diverse da quelle del soffietto intermedio. Il metodo numerico si basa su E... La soluzione è derivata dalle equazioni non lineari proposte da Lesner per la deformazione assialmente simmetrica di un guscio di rivoluzione a pareti sottili- con spessore di parete variabile. Nel derivare le equazioni di E. Lesner vengono applicati i presupposti generali della teoria del guscio sottile, tra cui: il presupposto che lo spessore sia molto piccolo rispetto ai raggi principali della curvatura del guscio; e le ipotesi di omogeneità e isotropia materiale. Queste ipotesi introducono anche alcuni errori nei calcoli. Questo perché durante la produzione dei soffietti, la laminazione, l'imbutitura e la successiva formatura plastica ondulata della billetta provocano anisotropia e non-uniformità nelle proprietà meccaniche del materiale.
Metodo di calcolo dello stress dell'EJMA americano
Calcolo dell'area effettiva dei soffietti
L'area effettiva è uno dei parametri prestazionali fondamentali di un soffietto. Caratterizza la capacità del soffietto di convertire la pressione in forza concentrata. Nelle applicazioni in cui vengono utilizzati i soffietti per convertire la pressione in uscita di forza concentrata, l'area effettiva è un parametro cruciale.
Quando il soffietto viene utilizzato in strumenti-bilanciati in forza, la stabilità della sua area effettiva influisce direttamente sulla precisione dello strumento. Pertanto, in tali applicazioni, non solo è necessaria un'area effettiva ragionevole, ma l'area effettiva deve anche rimanere invariata durante il funzionamento, indipendentemente dalle condizioni di lavoro.
1. Concetto e cambiamenti nell'area effettiva
L'area effettiva è un'area equivalente su cui la pressione esercitata produrrà una forza assiale uguale. Generalmente l'area effettiva di un soffietto diminuisce all'aumentare della pressione interna e aumenta all'aumentare della pressione esterna.
2. Area volumetrica effettiva di un soffietto
Il rapporto tra la variazione di volume di un soffietto sottoposto a forza esterna o differenza di pressione e la corrispondente variazione della lunghezza effettiva è chiamato area volumetrica effettiva.
3. Calcolo dell'area effettiva di un soffietto
I requisiti e i metodi di calcolo dell'area effettiva di un soffietto dipendono dall'uso previsto. Se il soffietto viene utilizzato come guarnizione elastica o per la compensazione termica della tubazione, l'area effettiva è significativa solo per il calcolo della forza assiale durante la formazione del soffietto e della spinta nel sistema. Spesso c'è una differenza tra l'area effettiva calcolata e misurata di un soffietto. In genere è sufficiente calcolare l'area effettiva utilizzando una formula specifica.
Quando i soffietti vengono utilizzati negli strumenti di bilanciamento delle forze e nelle applicazioni che richiedono la conversione della pressione in forza, la loro area effettiva deve essere determinata con precisione, richiedendo misurazioni individuali.
Sensibilità: lo spostamento di un soffietto metallico e di altri elementi elastici sotto un carico unitario è chiamato sensibilità dell'elemento. Rigidità e sensibilità sono i principali parametri funzionali dei soffietti e degli altri elementi elastici, ma sono due modi diversi di esprimere la stessa caratteristica prestazionale. Per situazioni diverse, entrambi i parametri possono essere utilizzati per facilitare l'analisi.
Area effettiva: per gli elementi elastici che realizzano la conversione di pressione-forza o forza-pressione, un altro importante indicatore funzionale è l'area effettiva. L'area effettiva si riferisce all'entità della forza concentrata che l'elemento elastico può convertire quando il suo spostamento è zero sotto una pressione unitaria.
Durata di servizio: gli elementi elastici operano in due stati: uno funziona in determinate condizioni di carico e spostamento, mantenendo un carico e uno spostamento costanti o con variazioni minime, chiamato funzionamento statico; l'altro è quando il carico e lo spostamento cambiano continuamente e ciclicamente e l'elemento è in uno stato operativo ciclico. A causa dei diversi stati operativi, differiscono anche le modalità di danneggiamento o guasto dell'elemento. Gli elementi sensibili elastici degli strumenti operano nel loro campo elastico, essenzialmente in uno stato operativo statico, e hanno una vita utile molto lunga, che generalmente raggiunge decine di migliaia o centinaia di migliaia di cicli. I componenti di tipo-a soffietto utilizzati in ingegneria a volte funzionano entro un intervallo elastico-plastico o sotto sollecitazione alternata, con una durata di vita compresa tra poche centinaia e migliaia di cicli. Quando i componenti vengono utilizzati in operazioni cicliche, è necessario specificare la durata operativa consentita, compreso il numero di cicli, il tempo e la frequenza.
La durata nominale di un elemento elastico è la durata di servizio prevista determinata durante la progettazione dell'elemento, richiedendo che l'elemento non subisca fatica, danni o guasti entro questo periodo.
Prestazioni di tenuta: le prestazioni di tenuta si riferiscono alla capacità di un elemento di prevenire perdite sotto una certa differenza di pressione interna ed esterna. I componenti del tipo a soffietto-funzionano con la cavità interna riempita con gas o liquidi sotto pressione, pertanto è necessario garantire le prestazioni di tenuta. I metodi di test delle prestazioni di tenuta includono test di tenuta pneumatica, test di tenuta, test di pressurizzazione del liquido e rilevamento delle perdite utilizzando acqua saponata o uno spettrometro di massa ad elio.
Frequenza naturale: gli elementi elastici utilizzati nell'industria operano spesso in ambienti con un certo grado di vibrazione. Alcuni componenti vengono utilizzati come parti di isolamento dalle vibrazioni e si trovano essi stessi in condizioni di vibrazione. Per gli elementi elastici utilizzati in condizioni particolari, è essenziale evitare che la frequenza naturale dell'elemento (in particolare la frequenza fondamentale) si avvicini alla frequenza di qualsiasi fonte di vibrazione nel sistema per evitare risonanze e danni. I componenti a soffietto sono ampiamente utilizzati in vari campi. Per evitare danni alle superfici risonanti del soffietto, la frequenza naturale del soffietto dovrebbe essere inferiore alla frequenza di vibrazione del sistema o almeno superiore del 50%.
Temperatura operativa: l'intervallo di temperature operative dei componenti dei soffietti metallici è ampio e viene generalmente specificato prima della progettazione e produzione dell'elemento elastico. Alcuni soffietti-per scopi speciali hanno cavità interne che possono resistere all'ossigeno liquido (-196 gradi) o anche a temperature più basse come l'azoto liquido, con resistenza alla pressione fino a 25 MPa. I giunti di dilatazione a soffietto di grandi dimensioni (a volte con diametri nominali superiori a 1 m) utilizzati per i collegamenti ai sistemi di tubazioni richiedono una resistenza alla pressione di 4 MPa, una resistenza alla temperatura di 400 gradi e un certo grado di resistenza alla corrosione. L'adattabilità alla temperatura dell'elemento elastico dipende dalla resistenza alla temperatura del materiale elastico utilizzato. Pertanto, la selezione di un materiale elastico con parametri di prestazione termica adeguati in base all'intervallo di temperatura operativa dell'elemento elastico è essenziale per la produzione di componenti qualificati del soffietto.
