波纹补偿器设计方法的剖析

波纹补偿器设计须满足两方面要求，作为柔性元件能补偿热胀冷缩位移，同时作为承压元件应具有足够强度承受系统的内压（或外压）。U形波纹管基本结构由直边圆筒、环板和环壳组成，其受到载荷可分为压力载荷和位移载荷，结构和载荷因素决定了波纹管的强度设计复杂性。目前波纹补偿器设计方法可以分为解析法、工程近似法和数值模拟法3种。

解析法以薄壳理论为基础，建立波纹管的微分方程，求解应力和位移的解析解，其过程非常繁杂，实际设计中难以采用。

为了设计计算简便，工程近似法将波纹管简化为两端固支的直梁或曲梁模型，采用材料力学公式进行计算。考虑到梁模型与实际情况之间的误差，现行标准中采用对梁模型计算结果进行实验数据的修正方法，这种工程近似法具有的准确性，但因为是经验公式，有的应力计算结果偏于保守，同时由于实验数据有限，公式的适用性也受到限制。

近年来计算机硬件技术发展，为数值模拟方法在工程中应用创造了硬件条件，三维有限元软件广泛应用又为数值模拟计算提供了强有力的工具。为了克服上述工程近似法的局限性，数值模拟方法在波纹管强度校核、疲劳寿命分析和刚度计算中的应用，使波纹补偿器加设计。

波纹补偿器的刚度是指产生单位位移所需要的作用力，单位为N/mm。刚度数值与波纹补偿器上波纹管的壁厚、直径、波高、波距、波数以及材料的弹性模量有关。

采用数值模拟方法，能根据波纹管实际几何尺寸，建立三维计算模型，避免了简单条状梁模型误差。同时，当波纹补偿器发生屈服后，在有限元计算过程中可以输入材料实际的应力—应变本构关系，从而加地模拟发生塑性变形时波纹补偿器载荷与位移变化情况，加符合实际波纹管刚度数值。