金属波纹管设计的数值模拟方法

金属波纹管设计采用数值模拟技术能克服工程近似计算公式存在的不足。目前有限元软件分析，不仅能分析复杂结构的静力问题，而且可以解热—结构耦合、机械—流体耦合等多物理场问题；不仅可以分析线性弹性问题，同时也能解结构、材料的非线性问题。采用三维有限元软件，可以按照波纹管实际结构形状，建立有限元实体模型，避免了模型误差。通过有限元求解，可以了解应力和变形的详细分布情况，为金属波纹管分析设计提供应力分析依据。

针对金属波纹管结构和载荷特点，采用数值模拟方法进行应力分析过程需要注意以下几点：

1）模型

　　有限元模型可以采用二维或三维模型。如果波纹结构、边界条件和载荷完全对称，为了节约计算资源，可以采用二维有限元模型。三维模型比较直观，但建立的模型较大，对计算机硬件要求较高。采用三维有限元模型时，也可根据结构对称性，选取1/2或1/4实体结构建模计算。

　　模型建立还应考虑腐蚀裕量的影响。在金属波纹管刚投入使用时，其厚度包括腐蚀裕量，在使用寿命后期，其厚度不包括腐蚀裕量。壁厚的变化会影响金属波纹管的刚度、承压能力、疲劳寿命和稳定性，因此，需建立包括腐蚀裕量和不包括腐蚀裕量的两种模型同时进行计算。

2）载荷

　　金属波纹管受到的载荷可以分为两大类：压力载荷和位移载荷。其中压力载荷分为内压和外压；位移载荷可分为压力引起的位移和热胀冷缩引起的位移，这两种位移载荷可能同时作用，也可能只是其中之一作用。

3）应力分类和评定

　　金属波纹管有限元应力分析结果，应根据载荷性质和分布特性分为一次应力、二次应力和峰值应力，并采用不同的许用值加以限定。

　　在环壳、环板和直边圆筒远离结构不连续处，由压力载荷产生的薄膜应力属于一次总体薄膜应力，压力载荷产生的弯曲应力属于二次应力，温差导致的位移载荷产生的薄膜和弯曲应力属于二次应力。