金屬波紋管是現(xiàn)代受熱管網(wǎng)和設(shè)備進行熱補償?shù)年P(guān)鍵部件之一，具有位移補償、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、宇航和機械等各工業(yè)部門的熱力管線、工藝配管、機、泵和壓力容器等設(shè)備上。

　　1金屬波紋管設(shè)計研究

　　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)的補償性能主要由它決定，因而波紋管的設(shè)計研究是膨脹節(jié)設(shè)計研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

　　1.1波紋管的特點

　　波紋管是一薄壁撓性元件，在內(nèi)壓作用下要吸收(補償)熱膨脹或機械運動引起的位移，要能充分地變形;它的成形過程會導(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)計規(guī)則不能用傳統(tǒng)的剛性壓力容器的設(shè)計概念，有一套特殊的設(shè)計概念和方法。

　　1.2波紋管的設(shè)計研究方法

　　波紋管的設(shè)計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半圓環(huán)殼與圓環(huán)板組合而成，將其求解問題看成圓環(huán)殼與圖環(huán)板的求解問題，利用圓環(huán)殼和圓環(huán)板的線性理論，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)力曲線和公式，并將其結(jié)果作實驗比較。錢偉長121從Reissner-Meissner軸對稱殼方程出發(fā)，提出了細環(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)兩個細環(huán)殼處理，對其在軸向力和內(nèi)壓作用下的變形和應(yīng)力分布進行系統(tǒng)的計算，提出了工程設(shè)計公式。陳山林l將上述方法進一步推廣，給出環(huán)殼一般軸對稱問題的解，這種方法可以解決波紋管在任意載荷作用下的軸對稱環(huán)殼問題。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)殼方程和柔性細環(huán)殼方程，并借助錢偉長的細環(huán)殼一般解給出了柔性細環(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)可以達到很大的位移，呈現(xiàn)出較強的非線性?；谶@一原因，在很多可靠性要求比較高的管道系統(tǒng)設(shè)計中，還需對波紋管進行嚴(yán)格的非線性分析。因而，探討波紋管的幾何非線性特性，具有重要的實際意義。錢偉長等切利用解析法與攝動法相結(jié)合的方法，分析了u形波紋管的大撓度問題.徐志翹等U采用攝動法對變厚度u形波紋管的大撓度問題進行了研究。Hu Liang的u形波紋管非線性攝動解，擴展了錢偉長和徐志翅的研究。

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

　　(2 )數(shù)值法它是伴隨著計算機和計算數(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)計計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(有限的)單元，同時也將外載荷離散化，通過能>t原理，建立起以節(jié)點位移為墓本未知盆的代數(shù)方程組，通過求解節(jié)點位移，進而求出應(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)計者進行應(yīng)力和總體分析。

　　TsukimoriK 和IwataK 采用通用非線性結(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題，使用三結(jié)點軸對稱旋轉(zhuǎn)殼單元，子午向及環(huán)向位移采用二次多項式插，法向位移采用四次多項式插值，將所分析的問題變?yōu)樘卣髦祮栴}，應(yīng)用FINAS中的子空間迭代法給出了波紋管柱失稱和平面失穩(wěn)的臨界壓力”.。朱益民等1峽用三結(jié)點曲邊單元、位移及轉(zhuǎn)角在體坐標(biāo)下獨立插值的方法研究波紋管在小應(yīng)變、小位移假設(shè)下的軸對稱振動時的自振頻率，與實際悄況較為接近。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)測結(jié)果.劉穎等131用有限元方法分析波紋管的應(yīng)力強度分布規(guī)律，能很好地進行波紋管的事故預(yù)測和應(yīng)力評定。陳嘩等141采用非線性有限元對u形無加強型波紋管在不同平面失穩(wěn)工況下的應(yīng)力響應(yīng)進行了分析，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，計算穩(wěn)定，但它不能為膨脹節(jié)的設(shè)計和選用人員提供一個既簡潔方便，又能滿足工程精度的設(shè)計公式。

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