波纹管失稳的有限元计算

　　波纹管在内压作用下失稳是常见的失效现象，美国膨胀节制造商协会标准，将波纹管的失稳分为柱失稳和平面失稳两种形式，并给出了设计内压的计算公式，与标准中应力计算公式由壳体弹性理论的解导出不同，这两个公式的依据出自认为假设，属于经验公式，这种人为设想的失效机理是否合理，公式的误差范围有多大还需研究。
　　有限元软件一般提供两种失稳分析方法，即特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，上节两个失稳实例是用特征值分析计算的，特征值法是弹性分析，不能用于出现塑性变形的结构，由于波纹管的柱失稳和平面失稳都可能在塑性状态下发生，因此本文采用了非线性屈曲分析，材料模型为弹性理想塑性体。本节算例假设材料的弹性模量为2x10MPa，屈服应力为230MPa，有限元软件为ANSYS，采用Shell 51壳单元，进行非线性屈曲分析需要给波纹管设置初始，使其成为非轴对称体，初始可以是波纹局部材料不均匀或形状不规整，造成失稳的内压用弧长法计算。
　　4.1柱失稳
　　波纹管几何参数：内径150mm，波高25mm，波距25mm，壁厚0.5mm，10个波。用公式计算的内压为0.17MPa（已加系数）。
　　4.2平面失稳
　　波纹管参数：内径300mm，波高30mm，波距30mm，壁厚0.8mm，4个波。用公式计算的内压为0.63MPa（已加系数）。
　　4.3小结
　　用非线性屈曲分析既可以得出柱失稳又可以得出平面失稳，从侧面说明这两种失稳机理相同，波纹管发生何种失稳因波纹参数而定（主要是波数）。