關于波紋管設計的理論基礎

金屬波紋管設計的理論基礎是板殼理論、材料力學、計算數學等。波紋管設計的參數較多，由于波紋管在系統中的用途不同，其設計計算的重點也不一樣。例如，波紋管用于力平衡元件，要求波紋管在工作范圍內其有效面積不變或變化很小，用于測量元件，要求波紋管的彈性特性是線性的；用于真空開關管作真空密封件，要求波紋管的真空密封性、軸向位移量和疲勞壽命；用于閥門作密封件，要求波紋管應具有一定的耐壓力、耐腐蝕、耐溫度、工作位移和疲勞壽命。根據波紋管的結構特點，可以把波紋管當作圓環殼、扁錐殼或圓環板所組成。設計計算波紋管也就是設計計算圓外殼、扁錐殼或團環板。

計算的參數為剛度、應力、有效面積、失穩、允許位移、耐壓力和使用壽命。

耐壓力

耐壓力是波紋管性能的一個重要參數。波紋管在常溫時，波形上不發生塑性變形所能承受的靜壓力，即為波紋管的大耐壓力在一般情況下，波紋管是在一定的壓力（內壓或外壓）下工作的，所以它在整個工作過程中必須承受這個壓力而不產生塑性變形。

波紋管的耐壓力實際上屬于波紋管的強度范疇。計算的關鍵是應力分析，也就是分析波紋管管壁上的應力只要波紋管管壁上大應力點的應力不超過材料的屈服強度，波紋管所受的壓力就不會達到其耐壓力。

同一波紋管在其它工作條件相同時，受外壓比受內壓時的穩定性要好，所以，受外壓作用時的大耐壓力比受內壓時高。

當波紋管兩端固定，如果在其內腔通入足夠大的壓力時，波紋管波峰處有可能爆破損壞。波紋管開始出現爆破時波紋管內部的壓力值稱為爆破壓力。爆破壓力是表征波紋管大耐壓強度的參數。波紋管在整個工作過程中，其工作壓力遠小于爆破壓力，否則波紋管將破裂損壞。

當波紋長度小于或等于外徑時，其計算結果和實際爆破壓力很接近；對細長型波紋管其實際爆破壓力要低很多。爆破壓力大約為允許工作壓力的3~10倍。

穩定性

當波紋管兩端都受到限制時，如果波紋管內壓力增大至某一臨界值，波紋管就會產生失穩現象。

允許位移

對于工作在壓縮狀態的波紋管，它的大壓縮位移是：波紋管在壓力作用下，壓縮到波紋之間相互彼此接觸時所能產生的大位移值，也稱為結構允許大位移，它等于波紋管自由長度與大壓縮長度之差。

波紋管不產生塑性變形情況下所能獲得的大位移稱為波紋管的允許位移。

波紋管在實際工作過程中會產生殘余變形，殘余變形又稱永久變形或塑性變形，波紋管在力或壓力作用下產生變形，當力或壓力卸除后，波紋管不恢復原始狀態的現象稱殘余變形，殘余變形通常用波紋管不恢復原始位置的量來表示又稱零位偏移。

波紋管位移與零位偏移之間的關系，無論拉伸還是壓縮位移，在波紋管位移的起始階段，它的殘余變形量都很小，一般都小于波紋管標準中規定的允許零位偏移值。但是，當拉伸（或壓縮）位移量逐漸增大到超過一定的位移值后，會引起零位偏移值的突然增大，這表示波紋管產生比較大的殘余變形，在這之后．如果再增大一點位移量，殘余變形將顯著增加。所以波紋管一般不應超過這個位移量，不然將會嚴重的降低其精度、穩定性和可靠性以及使用壽命。

波紋管在壓縮狀態下工作時的允許壓縮位移量比工作在拉伸狀態下的允許拉伸位移量要大一些，所以在設計波紋管時應盡可能讓波紋管在壓縮狀態下工作。通過實驗發現，在一般情況下，同一材料、同一規格的波紋管，其允許的壓縮位移是允許的拉伸位移的1.5倍。

允許位移與波紋管的幾何尺寸參數及材料性能有關。一般情況下，波紋管的允許位移大小與材料的屈服強度及外徑的平方成正比，而與材料的彈性模量、波紋管的壁厚成反比。同時，相對波深、波厚對它也有一定影響。

壽命

波紋管的壽命是在工作條件下使用時，能保證正常工作的短工作期限或循環次數。用波紋管組成的彈性密封系統，經常在承受較多循環次數的變動載荷和較大位移的條件下工作，因此確定波紋管的使用壽命，具有重要意義。因為波紋管的作用不同，對其使用壽命的要求也不一樣。

（1）波紋管用來補償管路系統中因安裝造成的位置偏差時，對其壽命要求只有幾次就夠了。

（2）波紋管用于開關頻率較高的恒溫控制器中，其壽命要達到10000次才能滿足使用要求。

（3）波紋管用于真空開關作為真空密封件時，其壽命要達到30000次才能保證正常工作。

從上面三種使用實例中可見，由于使用條件不同，波紋管要求的使用壽命相差很大。波紋管壽命與所選用材料的疲勞特性有關，同時也取決于成形波紋管的殘余應力的大小、應力集中的情況和波紋管的表面質量等。此外，使用壽命與波紋管的工作條件有關。例如：波紋管工作時的位移、壓力、溫度、工作介質、振動條件、頻率范圍、沖擊條件等。

波紋管在工作過程中，其壽命長短主要取決于工作過程中產生的大應力。為了降低應力，一般通過減少波紋管的工作位移和降低工作壓力來實現。在一般設計中規定波紋管的工作位移應小于它的允許位移的一半，它的工作壓力應小于波紋管的耐壓力的一半。

對生產的波紋管進行試驗證明，如果波紋管按上述規范工作，它的便用壽命基本土可達到5萬次左右。

根據工作壓力性質的不同，波紋管的允許位移也有所區別一般波紋管只承受軸向載荷（拉力或壓力）時，它的允許位移可在波紋管有效長度的10%~40%之間選用；而在波紋管承受橫向集中力、扭轉力矩或綜合受力時，波紋管的允許位移應適當減小。

應用多層波紋管可以降低剛度和變形引起的應力，因而可以在很大程度上提高波紋管的壽命。

波紋管在其它情況相同而工作壓力性質（恒定或交變載荷）不同的條件下工作時，其使用壽命將有差別。顯然，在交變載荷下工作時，波紋管的壽命比恒定載荷下工作時要短一些。