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》(EJMA)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人為假設,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。有限元分析對波紋管的失穩機理進行了探討,給出用非線性屈曲計算內壓的方法,并用該方法對一些復雜條件下的失穩問題進行了計算分析。
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。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,因此需采用非線性屈曲分析,材料模型為彈性理想塑性體。
用該方法計算波紋管在位移狀態下的失穩非常方便。對軸向位移可將有缺陷的波紋管拉、壓后計算,對橫向位移和角位移簡單—無需加初始缺陷可直接計算。
在10波中加中間管成為復式波紋管。有限元計算結果:中間管長200mm時內壓為0.68MPa,長1500mm時內壓為0.61MPa。這說明中間管增長內壓將有所降低,而EJMA認為中間管對內壓無影響。考慮到柱失穩是波紋管發生的是彎曲變形,而中間管越長復式波紋管的橫向剛度越小,因易于發生變形致使內壓降低也是合乎情理的。
結構的穩定性問題一般比強度問題復雜,EJMA用簡單公式計算內壓誤差較大,因此選用了較大的系數。為了提高設計水平可以用有限元計算內壓。有限元的另一個優點是對各種工況可用統一的方法處理,不必像用公式計算那樣引入各種繁雜的調整系統。有限元計算也有誤差,進一步發展有限元算法需要與試驗研究相結合,對計算模型或計算結果加以修正。