金屬補償器是由波紋管和其它元件組裝而成的，其中波紋管決定了補償器的補償性能。因此，國內(nèi)外專家花了很多時間精力來研究波紋管的力學(xué)性能?，F(xiàn)在波紋管的研究方法主要分為理論研究方法和實驗研究方法兩種。理論研究方法主要有解析法、工程近似法和數(shù)值法三種。實驗研究方法主要是建立在理論研究的基礎(chǔ)上，通過實際的制造來模擬波紋管補償器的工作過程，研究波紋管的性能和可靠性，然后提出優(yōu)化措施。下面主要是介紹理論研究方法。
(1)解析法
解析法是將波紋管看作由圓環(huán)板與兩個半圓環(huán)殼的組合，其求解看成是圓環(huán)板與圓環(huán)殼的求解問題。然后利用圓環(huán)殼和圓環(huán)板的線性理論，將連接條件代入到兩者的有關(guān)方程中，會得到一系列的方程組，聯(lián)立可求得方程的解。
波紋管最早是用簡單的梁模型近似法來進(jìn)行應(yīng)力分析的。1950年，F(xiàn)reely最早推導(dǎo)出柔性和應(yīng)力的計算公式，他提出用平板近似的代替錐形殼體，然后對焊接膜片波紋管的應(yīng)力用梁理論來進(jìn)行評定。Murphp通過將波紋管分割成許多梁結(jié)構(gòu)，運用梁理論分析不同形式的回轉(zhuǎn)殼體波紋管的柔性和應(yīng)力。
由于用梁模型計算波紋管的受力得出的結(jié)果不夠精確，后來主要以薄殼理論作為理論研究基礎(chǔ)。利用波紋管的圓環(huán)殼線性理論，將連接條件代入到圓環(huán)殼的相關(guān)方程中，得到一系列方程組，聯(lián)立求解得到波紋管在壓力和軸向自由位移作用下應(yīng)力的計算公式和曲線。計算主要有兩種方法：能量法和漸進(jìn)積分法。
能量法主要利用傅里葉級數(shù)來表示各變量，設(shè)未知數(shù)為零可以求出余能或者勢能的極小值，然后截取級數(shù)項，求出余項級數(shù)。Laupa為了描述波紋管的側(cè)壁行為，采用了五項級數(shù)來表示圓板和環(huán)的彎曲變形，同時也評定了半圓形和復(fù)合殼體U型的波紋管；為了使U型波紋管在承受內(nèi)壓和軸向載荷合作用下的應(yīng)力分析成為可能，他利用薄殼理論來評定壓力應(yīng)力。
旋轉(zhuǎn)殼的二階微分方程通常用漸進(jìn)積分法進(jìn)行求解。Clark通過漸進(jìn)積分法求解軸對稱載荷作用下環(huán)形殼體的彎曲微分方程，然后分析。型波紋管在承受側(cè)向壓力和軸向載荷時的應(yīng)力。Anderson通過分析Clark的漸進(jìn)積分解優(yōu)化了U型波紋管的位移一應(yīng)力解，根據(jù)圖表引入的修正系數(shù)和梁理論得出多種方程式，并且建立起殼體行為與方程的關(guān)系，這項研究成為了EJMA(美國補償器制造商協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計有關(guān)非加強波紋管應(yīng)力方程的依據(jù)。
在國內(nèi)，20世紀(jì)70年代末期，錢偉長根據(jù)Reissner-Meissner軸對稱方程，利用軸對稱理論提出細(xì)環(huán)殼的一般解，并且利用一般解將U型波紋管單元按正負(fù)兩個細(xì)環(huán)殼進(jìn)行處理，然后系統(tǒng)的對其在內(nèi)壓和軸向力作用下的應(yīng)力分布和變形進(jìn)行計算，最后提出了U型波紋管的工程設(shè)計公式。胡浪在錢偉長研究的基礎(chǔ)上將波紋管內(nèi)外環(huán)殼的中面法線的中等小轉(zhuǎn)角考慮進(jìn)去，即考慮到了金屬波紋補償器的壓縮角和環(huán)殼部分的非線性，將內(nèi)外環(huán)殼間的連接部分看作是變厚度的非線性錐殼，最后得出了U型波紋管非線性攝動解。
解析法是波紋管應(yīng)力分析的基礎(chǔ)方法，其求解過程復(fù)雜，對數(shù)學(xué)理論的掌握要求比較高。
(2)工程近似法
工程近似法采用曲梁或者直梁模型簡化波紋管，通過材料力學(xué)的方法得出一些簡單的圖表和設(shè)計公式，供工程設(shè)計時候參考使用。由于波紋管原型與計算力學(xué)模型存在一定的差異，得出的計算公式也存在一定的誤差。各國根據(jù)工程經(jīng)驗得出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，供設(shè)計計算使用。
現(xiàn)在比較有影響的標(biāo)準(zhǔn)為：EJMA(美國補償器制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn))：美國ASME《鍋爐及壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)附錄中的《壓力容器和換熱器補償器》；日本的JISB 8277《壓力容器補償器》；我國的GB/T 16749《壓力容器波形補償器》和GB/T 12777《金屬波紋管補償器通用技術(shù)條件》等。
通常波紋管的受力情況比較復(fù)雜，又有很多的影響因素，工程近似法很難得到精確的計算結(jié)果。只能站在工程應(yīng)用的角度來選擇比較主要的因素，以求能夠正確的解決工程中一般的設(shè)計問題。有些特殊情況下的特殊工程問題，仍然是需要通過其他計算精度較高的分析手段或者通過實驗來解決。
(3)數(shù)值法
數(shù)值法產(chǎn)生是計算數(shù)學(xué)和計算機發(fā)展的結(jié)果，它主要包括有限元法、加權(quán)余量法、邊界元法和有限差分法等，其中最常用的是有限元法，廣泛用于波紋管的設(shè)計計算。
有限元法將金屬波紋管補償器分割成有限個微小的單元，并且認(rèn)為單元相互之間只能在節(jié)點上產(chǎn)生聯(lián)系，然后將載荷按照靜力等效原則簡化至各個節(jié)點上，通過能量原理和彈性力學(xué)的基本方程建立起以節(jié)點位移為基本未知量的代數(shù)方程組，通過求解節(jié)點位移進(jìn)而求得應(yīng)力和應(yīng)變。
有限元法雖然較其他應(yīng)力分析方法精確度大有提高，但是同樣其分析結(jié)果也受到各種因素的影響，不能夠給出精確的計算公式。因此，數(shù)值法還需要通過不斷的研究來獲得更接近真實情況的結(jié)果。
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