波纹管是用多个横向波纹沿伸缩方向连接成的管状元件,广泛应用于航天、石化、仪表、电力、冶金和机械等领域。航天管路用波纹管主要有两个方面:一是利用波纹管的波形结构可提高结构稳定性的特性,如单C型和C型波纹管,常用于大直径薄壁管路中;二是利用波纹管轴向可拉伸或压缩,如曲板型波纹管,常用作弹性补偿元件,以吸收管路中因机械载荷或热载荷等引起的位移。目前对航天用大直径波纹管的研究不多,而工程中采用的经验公式对大直径波纹管的计算误差较大。本文采用ANSYS有限元软件对航天用单C型波纹管、C型波纹管及曲板型波纹管进行了分析研究,主要包括以下内容:(1)采用ANSYS APDL对波纹管外压失稳性能进行了研究。对单C型波纹管进行极限载荷分析、特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,明确了各结构参数对单C型波纹管外压失稳性能的影响,发现特征值屈曲分析计算的临界失稳载荷与非线性屈曲分析计算的临界失稳载荷变化规律基本一致,前者普遍大于后者;特征值屈曲分析基于线性材料模型,计算的临界失稳载荷可能高于极限载荷分析计算的塑性垮塌载荷;考虑材料非线性行为的非线性屈曲分析计算的临界失稳载荷以塑性垮塌载荷为上限;对C型波纹管进行了极限载荷分析、特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,明确了各结构参数对C型波纹管外压失稳性能的影响;对曲板型波纹管进行了失稳分析,发现其失稳类型为平面失稳,临界失稳载荷通常能满足设计要求,需要更加关注其轴向刚度。(2)采用ANSYS APDL对曲板型波纹管的轴向刚度进行了研究。明确了各结构参数对曲板型波纹管轴向刚度的影响:厚度t、波高h、半径R对轴向刚度的影响较大,其它参数的影响不大;轴向刚度随厚度t、半径R的增大而增大,随波高h的增大而减小。因此,在设计时可依据设计条件取波纹管半径R为定值,改变厚度t与波高h的值以提高曲板型波纹管的轴向补偿能力,如强度不够可适当增加厚度t。此外,分析结果表明曲板型波纹管的轴向刚度比同尺寸的U型波纹管的轴向刚度小,即曲板型波纹管更易于补偿轴向变形。(3)为了得到力学性能最优的波纹管结构,采用ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization模块,对航天用某单C型波纹管进行结构优化设计,得到质量一定、临界失稳载荷取得最大值时的结构参数组合(波形半径r=43mm、波距b=158mm、厚度t=3.1mm);对航天用某曲板型波纹管进行结构优化设计,得到质量一定、轴向刚度取得最小值时的结构参数组合(波形半径r3=33mm、波距b=43mm、波高h=58mm、厚度t=2mm)。运载火箭的结构性能直接决定运输重量,通过优化设计得到最佳结构性能的波纹管有着重要的工程意义。(4)基于上述单C型波纹管和曲板型波纹管的有限元计算方法,结合ANSYS APDL和VB语言,二次开发了单C型波纹管和曲板型波纹管界面化有限元计算软件,使得非专业分析设计人员只需正确输入结构参数就能完成单C型波纹管及曲板型波纹管的计算和校核工作。