金屬波紋管是現(xiàn)代受熱管網(wǎng)和設(shè)備進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件之一，具有位移補(bǔ)償、減振降噪和密封的作用。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、煉油、石油化工、電力(火電、水電和核電)、熱網(wǎng)、船舶、建筑、水泥、宇航和機(jī)械等各工業(yè)部門(mén)的熱力管線(xiàn)、工藝配管、機(jī)、泵和壓力容器等設(shè)備上。

　　1金屬波紋管設(shè)計(jì)研究

　　膨脹節(jié)由波紋管和其它零件組成，其中波紋管是組成膨脹節(jié)的基本元件，它是一柔性件，膨脹節(jié)的補(bǔ)償性能主要由它決定，因而波紋管的設(shè)計(jì)研究是膨脹節(jié)設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

　　1.1波紋管的特點(diǎn)

　　波紋管是一薄壁撓性元件，在內(nèi)壓作用下要吸收(補(bǔ)償)熱膨脹或機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的位移，要能充分地變形;它的成形過(guò)程會(huì)導(dǎo)致波殼材料金相組織顯著的改變;它的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，其中子午向彎應(yīng)力是其應(yīng)力的主要部分;它的側(cè)壁在內(nèi)壓作用下有鼓脹、屈服情況。因此，波紋管的設(shè)計(jì)規(guī)則不能用傳統(tǒng)的剛性壓力容器的設(shè)計(jì)概念，有一套特殊的設(shè)計(jì)概念和方法。

　　1.2波紋管的設(shè)計(jì)研究方法

　　波紋管的設(shè)計(jì)研究方法主要有解析法、數(shù)值法和工程近似法三種。

　　(1) 解析法把波紋管看成由兩個(gè)半圓環(huán)殼與圓環(huán)板組合而成，將其求解問(wèn)題看成圓環(huán)殼與圖環(huán)板的求解問(wèn)題，利用圓環(huán)殼和圓環(huán)板的線(xiàn)性理論，把圓環(huán)殼和圓環(huán)板的有關(guān)方程代入連接條件，得到一系列的方程，通過(guò)聯(lián)立求解，得到u形波紋管在軸向自由位移與內(nèi)壓下的一系列剛度及彎曲應(yīng)力曲線(xiàn)和公式，并將其結(jié)果作實(shí)驗(yàn)比較。錢(qián)偉長(zhǎng)121從Reissner-Meissner軸對(duì)稱(chēng)殼方程出發(fā)，提出了細(xì)環(huán)殼的一般解，并利用這一般解將u形波紋管單元按正負(fù)兩個(gè)細(xì)環(huán)殼處理，對(duì)其在軸向力和內(nèi)壓作用下的變形和應(yīng)力分布進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算，提出了工程設(shè)計(jì)公式。陳山林l將上述方法進(jìn)一步推廣，給出環(huán)殼一般軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的解，這種方法可以解決波紋管在任意載荷作用下的軸對(duì)稱(chēng)環(huán)殼問(wèn)題。朱衛(wèi)平等從E. L. Axelrad的柔性殼理論出發(fā)，得到了邊緣在子午面內(nèi)受彎矩和橫向力作用下的柔性圓環(huán)殼方程和柔性細(xì)環(huán)殼方程，并借助錢(qián)偉長(zhǎng)的細(xì)環(huán)殼一般解給出了柔性細(xì)環(huán)殼在子午面內(nèi)整體彎曲的一般解，該一般解可以方便地用于有關(guān)波紋管的計(jì)算。

　　由于工業(yè)上的波紋管多采用銅、不銹鋼等材料制成，在一般彈性范圍內(nèi)可以達(dá)到很大的位移，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線(xiàn)性。基于這一原因，在很多可靠性要求比較高的管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還需對(duì)波紋管進(jìn)行嚴(yán)格的非線(xiàn)性分析。因而，探討波紋管的幾何非線(xiàn)性特性，具有重要的實(shí)際意義。錢(qián)偉長(zhǎng)等切利用解析法與攝動(dòng)法相結(jié)合的方法，分析了u形波紋管的大撓度問(wèn)題.徐志翹等U采用攝動(dòng)法對(duì)變厚度u形波紋管的大撓度問(wèn)題進(jìn)行了研究。Hu Liang的u形波紋管非線(xiàn)性攝動(dòng)解，擴(kuò)展了錢(qián)偉長(zhǎng)和徐志翅的研究。

　　波紋管分析的解析法要受到波形的限制，計(jì)算冗長(zhǎng)復(fù)雜，但它是波紋管應(yīng)力分析的力學(xué)基礎(chǔ)。

　　(2 )數(shù)值法它是伴隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算數(shù)學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的，主要有有限差分法和有限元法等。有限元法是工程數(shù)值分析的有力工具，它在波紋管的設(shè)計(jì)計(jì)算中己得到了廣泛應(yīng)用。有限元法將波紋管本體離散化，分割成若干個(gè)(有限的)單元，同時(shí)也將外載荷離散化，通過(guò)能>t原理，建立起以節(jié)點(diǎn)位移為墓本未知盆的代數(shù)方程組，通過(guò)求解節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求出應(yīng)變和應(yīng)力.有限元法可以一次算出多種工況下的波紋管的位移和應(yīng)力分布，便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行應(yīng)力和總體分析。

　　TsukimoriK 和IwataK 采用通用非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)有限元分析軟件FINAS，研究了u形波紋管在內(nèi)壓及外壓作用下的屈曲問(wèn)題，使用三結(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)殼單元，子午向及環(huán)向位移采用二次多項(xiàng)式插，法向位移采用四次多項(xiàng)式插值，將所分析的問(wèn)題變?yōu)樘卣髦祮?wèn)題，應(yīng)用FINAS中的子空間迭代法給出了波紋管柱失稱(chēng)和平面失穩(wěn)的臨界壓力”.。朱益民等1峽用三結(jié)點(diǎn)曲邊單元、位移及轉(zhuǎn)角在體坐標(biāo)下獨(dú)立插值的方法研究波紋管在小應(yīng)變、小位移假設(shè)下的軸對(duì)稱(chēng)振動(dòng)時(shí)的自振頻率，與實(shí)際悄況較為接近。許志興等陰將墓于有限元的周部應(yīng)力— 應(yīng)變法應(yīng)用于波紋管膝脹節(jié)的疲勞壽命分析和估算，得到很好的預(yù)測(cè)結(jié)果.劉穎等131用有限元方法分析波紋管的應(yīng)力強(qiáng)度分布規(guī)律，能很好地進(jìn)行波紋管的事故預(yù)測(cè)和應(yīng)力評(píng)定。陳嘩等141采用非線(xiàn)性有限元對(duì)u形無(wú)加強(qiáng)型波紋管在不同平面失穩(wěn)工況下的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，建立了適合于工程使用的判定方法。

　　有限元法用于波紋管的分析，較之解析法可不受波紋管波形的限制，計(jì)算穩(wěn)定，但它不能為膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)和選用人員提供一個(gè)既簡(jiǎn)潔方便，又能滿(mǎn)足工程精度的設(shè)計(jì)公式。

　　(3) 工程近似法它是一種實(shí)用、簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方法，很受設(shè)計(jì)人員歡迎。這種方法大多采用直梁、曲梁或環(huán)板模型對(duì)波紋管進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，然后應(yīng)用材料力學(xué)的方法給出一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)公式和圖表以供工程使用。