金屬波紋管設(shè)計方法的對比

金屬波紋管（簡稱波紋管）是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的管殼零件，在外力及力矩作用下能吸收軸向、角向、側(cè)向及其組合位移。除彈性特性外，波紋管還具有耐壓、密封、耐腐蝕、耐溫度、耐沖擊等多種性能，是一種多功能零部件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、船舶、汽車、石化、能源、核工業(yè)等領(lǐng)域。申縮節(jié)

　　金屬波紋管有許多結(jié)構(gòu)形式，以U形波紋管的應(yīng)用最為廣泛。U型金屬波紋管由環(huán)板和具有正、負(fù)高斯曲率的半圓環(huán)殼組成，在管道系統(tǒng)中常用它作為位移補(bǔ)償元件，補(bǔ)償管道由于熱脹冷縮、地基不均勻沉降及安裝誤差等引起的位移。由于管道所傳輸?shù)慕橘|(zhì)具有一定的壓力，波紋管除了受管道的位移作用外還承受介質(zhì)壓力。

　　金屬波紋管的設(shè)計計算方法主要有三種：解析法、工程設(shè)計法和有限元法。在20世紀(jì)70年代之前，金屬波紋管結(jié)構(gòu)分析主要采用解析法，其主要思想是：根據(jù)近似簡單梁、近似圓柱體、近似殼體的假設(shè)，依據(jù)材料力學(xué)理論得到波紋管殼體的應(yīng)力-應(yīng)變值。但由于波紋管本身是一種較為復(fù)雜的軸對稱薄壁殼體，且在絕大多數(shù)工況下材料處于塑性大變形范圍內(nèi)，因而在解析解與波紋管材料的實際響應(yīng)之間存在著較大的誤差?，F(xiàn)解析法在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較少。

　　為了適應(yīng)工程設(shè)計需要，引入了工程設(shè)計法，該方法的主要思想是在解析法得到的近似解中引出了圖表形式的修正系數(shù)，經(jīng)過近似修正，得到簡單的設(shè)計計算公式，并在工程設(shè)計中應(yīng)用。我國較有影響的工程設(shè)計方法是美國膨脹節(jié)制造者協(xié)會（EJMA）標(biāo)準(zhǔn)公式，它對波紋管的應(yīng)力分析全面，假設(shè)條件較合理，加上計算式對實際的影響因素做了必要的修正，故計算結(jié)構(gòu)與實驗數(shù)據(jù)較為接近，有一定準(zhǔn)確性，國內(nèi)相關(guān)波紋管標(biāo)準(zhǔn)大多采用EJMA標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式。現(xiàn)在，隨著特種波紋管在航空航天、核工業(yè)、石油石化等行業(yè)的大量應(yīng)用，工程設(shè)計方法已較難滿足復(fù)雜工況下的波紋管設(shè)計要求，需要應(yīng)用更精確的設(shè)計計算方法。

　　近幾年，隨著計算機(jī)和計算數(shù)學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生，有限元法在波紋管的數(shù)值分析中的應(yīng)用越來越廣泛。有限元法的主要思想是將波紋管本體進(jìn)行離散化，分成若干個單元，通過能量原理建立起以結(jié)點位移為基本未知量的代數(shù)方程組，通過求解結(jié)點位移，進(jìn)而求出應(yīng)變和應(yīng)力，是對波紋管進(jìn)行綜合性能分析的有效方法。