波紋管在內壓作用下失穩是常見的失效現象,美國膨脹節制造商協會標準,將波紋管的失穩分為柱失穩和平面失穩兩種形式,并給出了設計內壓的計算公式,與標準中應力計算公式由殼體彈性理論的解導出不同,這兩個公式的依據出自認為假設,屬于經驗公式,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分析方法,即特征值屈曲分析和非線性屈曲分析,上節兩個失穩實例是用特征值分析計算的,特征值法是彈性分析,不能用于出現塑性變形的結構,由于波紋管的柱失穩和平面失穩都可能在塑性狀態下發生,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整,造成失穩的內壓用弧長法計算。
4.1柱失穩
波紋管幾何參數:內徑150mm,波高25mm,波距25mm,壁厚0.5mm,10個波。用公式計算的內壓為0.17MPa(已加系數)。
4.2平面失穩
波紋管參數:內徑300mm,波高30mm,波距30mm,壁厚0.8mm,4個波。用公式計算的內壓為0.63MPa(已加系數)。
4.3小結
用非線性屈曲分析既可以得出柱失穩又可以得出平面失穩,從側面說明這兩種失穩機理相同,波紋管發生何種失穩因波紋參數而定(主要是波數)。