金属波纹管介绍以及设计方法

金属波纹管（简称波纹管）是一种挠性、薄壁、有横向波纹的管壳零件，在外力及力矩作用下能吸收轴向、角向、侧向及其组合位移。除弹性特性外，波纹管还具有耐压、密封、耐腐蚀、耐温度、耐冲击等多种性能，是一种多功能零部件，现已应用于机械、汽车、石化、水泥等领域。

　　金属波纹管有许多结构形式，以U形波纹管的应用。U型金属波纹管由环板和具有正、负高斯曲率的半圆环壳组成，在管道系统中常用它作为位移补偿元件，补偿管道由于热胀冷缩、地基不均匀沉降及安装误差等引起的位移。由于管道所传输的介质具有一定的压力，波纹管除了受管道的位移作用外还承受介质压力。

　　金属波纹管的设计计算方法主要有三种：解析法、工程设计法和有限元法。在20世纪70年代之前，金属波纹管结构分析主要采用解析法，其主要思想是：根据近似简单梁、近似圆柱体、近似壳体的假设，依据材料力学理论了解波纹管壳体的应力-应变值。但由于波纹管本身是一种较为复杂的轴对称薄壁壳体，且在绝大多数工况下材料处于塑性大变形范围内，因而在解析解与波纹管材料的实际响应之间存在着较大的误差。现解析法在行业内应用较少。

　　为了适应工程设计需要，引入了工程设计法，该方法的主要思想是在解析法了解的近似解中引出了图表形式的修正系数，经过近似修正，得出简单的设计计算公式，并在工程设计中应用。我国较有影响的工程设计方法是美国膨胀节制造者协会（EJMA）标准公式，它对波纹管的应力分析，假设条件较合理，加上计算式对实际的影响因素做了修正，故计算结构与实验数据较为接近，国内相关波纹管标准大多采用EJMA标准中的计算公式。现在，随着特种波纹管在石油石化，水泥等行业的大量应用，工程设计方法已较难满足复杂工况下的波纹管设计要求，需要应用设计计算方法。

　　近几年，随着计算机和计算数学的发展而产生，有限元法在波纹管的数值分析中的应用。有限元法的主要思想是将波纹管本体进行离散化，分成若干个单元，通过原理建立起以结点位移为基本未知量的代数方程组，通过求解结点位移，进而求出应变和应力，是对波纹管进行综合性能分析的方法。