波紋管在內(nèi)壓作用下失穩(wěn)是常見的失效現(xiàn)象,美國膨脹節(jié)制造商協(xié)會標準,將波紋管的失穩(wěn)分為柱失穩(wěn)和平面失穩(wěn)兩種形式,并給出了設計內(nèi)壓的計算公式,與標準中應力計算公式由殼體彈性理論的解導出不同,這兩個公式的依據(jù)出自認為假設,屬于經(jīng)驗公式,這種人為設想的失效機理是否合理,公式的誤差范圍有多大還需研究。
有限元軟件一般提供兩種失穩(wěn)分析方法,即特征值屈曲分析和非線性屈曲分析,上節(jié)兩個失穩(wěn)實例是用特征值分析計算的,特征值法是彈性分析,不能用于出現(xiàn)塑性變形的結構,由于波紋管的柱失穩(wěn)和平面失穩(wěn)都可能在塑性狀態(tài)下發(fā)生,因此本文采用了非線性屈曲分析,材料模型為彈性理想塑性體。本節(jié)算例假設材料的彈性模量為2x10MPa,屈服應力為230MPa,有限元軟件為ANSYS,采用Shell 51殼單元,進行非線性屈曲分析需要給波紋管設置初始,使其成為非軸對稱體,初始可以是波紋局部材料不均勻或形狀不規(guī)整,造成失穩(wěn)的內(nèi)壓用弧長法計算。
4.1柱失穩(wěn)
波紋管幾何參數(shù):內(nèi)徑150mm,波高25mm,波距25mm,壁厚0.5mm,10個波。用公式計算的內(nèi)壓為0.17MPa(已加系數(shù))。
4.2平面失穩(wěn)
波紋管參數(shù):內(nèi)徑300mm,波高30mm,波距30mm,壁厚0.8mm,4個波。用公式計算的內(nèi)壓為0.63MPa(已加系數(shù))。
4.3小結
用非線性屈曲分析既可以得出柱失穩(wěn)又可以得出平面失穩(wěn),從側面說明這兩種失穩(wěn)機理相同,波紋管發(fā)生何種失穩(wěn)因波紋參數(shù)而定(主要是波數(shù))。