使金屬波紋管或其它彈性元件產(chǎn)生單位位移所需要的載荷值稱為元件的剛度，一般用"K"表示。如果元件的彈性特性是非線性的，則剛度不再是常數(shù)，而是隨著載荷的增大發(fā)生變化。一般工程用的波紋管類彈性元件，剛度允差可限定在+/-50%之內(nèi)。波紋管的剛度按照載荷及位移性質(zhì)不同，分為軸向剛度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等。在波紋管的應(yīng)用中，絕大多數(shù)的受力情況是軸向載荷，位移方式為線位移。以下是幾種主要的波紋管軸向剛度設(shè)計(jì)計(jì)算方法:

1.能量法計(jì)算波紋管剛度

2.經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算波紋管剛度

3.數(shù)值法計(jì)算波紋管剛度

4.EJMA 標(biāo)準(zhǔn)的剛度計(jì)算方法

5.日本TOYO 計(jì)算剛度方法

6.美國(guó)KELLOGG(新法)計(jì)算剛度方法

除了上述六種剛度計(jì)算方法之外，國(guó)外還有許多種其它的計(jì)算剛度的方法，在此不再介紹。我國(guó)的力學(xué)工作者在波紋管的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析方面作了大量工作，取得了豐碩的研究成果。其中最主要的研究方法是:

(1)攝動(dòng)法

(2)數(shù)值積分的初參數(shù)法

(3)積分方程法

(4)攝動(dòng)有限單元法

上述方法都可以對(duì)波紋管進(jìn)行比較精確的計(jì)算。但是，由于應(yīng)用了較深的理論和計(jì)算數(shù)學(xué)的方法，工程上應(yīng)用有一定的困難，也難于掌握，需要進(jìn)一步普及推廣。

金屬波紋管與螺旋彈簧聯(lián)用時(shí)的剛度計(jì)算

在使用過程中，對(duì)剛度要求較大，而金屬波紋管本身剛度又較小時(shí)，可以考慮在波紋管的內(nèi)腔或外部配置圓柱螺旋彈簧。這樣不僅可以提高整個(gè)彈性系統(tǒng)的剛度，而且遲滯引起的誤差也可以大為減小。這種彈性系統(tǒng)的彈性性能主要取決于彈簧的特性和波紋管有效面積的穩(wěn)定性。

波紋管的彎曲剛度

波紋管的應(yīng)力計(jì)算

金屬波紋管作為彈性密封零件，首先要滿足強(qiáng)度條件，即其最大應(yīng)力不超過給定條件下的許用應(yīng)力。許用應(yīng)力可由極限應(yīng)力除以安全系數(shù)得出。根據(jù)波紋管的工作條件和對(duì)它的使用要求，極限應(yīng)力可以是屈服強(qiáng)度，也可以是波紋管失穩(wěn)時(shí)的臨界應(yīng)力，或者是疲勞強(qiáng)度等。要計(jì)算波紋管最大工作應(yīng)力必須分析波紋管管壁中的應(yīng)力分布。

波紋管上的應(yīng)力是由系統(tǒng)中的壓力和波紋管變形所產(chǎn)生的。壓力在波紋管上產(chǎn)生環(huán)(周向)應(yīng)力，而在波的側(cè)壁、波谷和波峰處產(chǎn)生徑向的薄膜和彎曲應(yīng)力。不能抗彎的薄殼有時(shí)稱為薄膜，忽略彎曲而算得的應(yīng)力則稱為薄膜應(yīng)力。波紋管變形時(shí)產(chǎn)生徑向薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。波紋管在工作時(shí)，有的承受內(nèi)壓，有的承受外壓，例如波紋膨脹節(jié)和金屬軟管在多數(shù)情況下其波紋管承受內(nèi)壓，而用于閥門閥桿密封的波紋管一般情況下承受外壓在這里主要分析波紋管承受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力，波紋管承受外壓的能力一般情況下高于耐內(nèi)壓能力。隨著波紋管的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)波紋管的應(yīng)力進(jìn)行大量的分析研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，提出了許多供工程設(shè)計(jì)使用的計(jì)算公式、計(jì)算程序和圖表。但是，有的方法由于圖表或程序繁復(fù)使用不方便，有的方法假設(shè)條件不是過于簡(jiǎn)化就是過于理想，難以保證使用上的安全可靠，不少方法未能為工程界所接受。因此，真正符合實(shí)用要求的方法為數(shù)不多。應(yīng)用比較普遍的方法有如下兩種:

1.數(shù)值法計(jì)算波紋管應(yīng)力

假定波紋管的全部波紋都處于同一條件下，在計(jì)算時(shí)只研究波紋管波紋的單個(gè)半波。這樣，在研究中就不考慮端部波紋，雖然端部波紋的邊界條件與中間波紋有所不同。數(shù)值法是根據(jù)E.列斯涅爾對(duì)于變壁厚回轉(zhuǎn)薄殼產(chǎn)生軸向?qū)ΨQ變形時(shí)所列的非線性方程來解的。在推導(dǎo)E.列斯涅爾方程時(shí)，應(yīng)用了薄殼理論的一般假定，其中包括:與環(huán)殼曲率主半徑相比厚度很小的假定;材料的均一性和各向同性的假定。采用上述假定也會(huì)給計(jì)算帶來一定的誤差。因?yàn)樵谥圃觳y管時(shí)，管坯的軋制，拉深和隨后的波紋塑性成形會(huì)造成材料力學(xué)性能上的各向異性和不均勻性。

2.美國(guó)EJMA 應(yīng)力計(jì)算方法

波紋管的有效面積計(jì)算

有效面積是波紋管的基本性能參數(shù)之一，它表征波紋管將壓力轉(zhuǎn)換為集中力的能力，在利用波紋管把壓力變成集中力輸出的場(chǎng)合，有效面積就是一個(gè)重要參數(shù)。

波紋管用于力平衡式儀表時(shí)，其有效面積的穩(wěn)定性會(huì)直接影響著儀表的精度。所以在這種場(chǎng)合不但要求波紋管具有合理的有效面積，而且還要求有效面積在工作過程中不隨工作條件而變化。

1.有效面積的概念和有效面積的變化

有效面積是一個(gè)等效的面積，壓力作用在這個(gè)面積上將產(chǎn)生相等的軸向力。一般情況下，隨著內(nèi)壓力的增大，波紋管有效面積變小，面隨外壓力的增加，有效面積變大。

2.波紋管的體積有效面積

波紋管在外力或壓差作用下，其體積變化量與相應(yīng)的有效長(zhǎng)度的變化量之比值稱為體積有效面積。

3.波紋管有效面積的計(jì)算

對(duì)波紋管有效面積提出的要求及其計(jì)算方法取決于波紋管的用途。如果波紋管用作彈性密封件或管路熱補(bǔ)償時(shí)，有效面積的意義僅在于用來計(jì)算波紋管成形時(shí)的軸向力和使用系統(tǒng)中的推力。波紋管的有效面積計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間急有一些差別。一般情況下用專用公式計(jì)算波紋管的有效面積，是可以滿足需要的。

當(dāng)波紋管用于力平衡儀表和需要將壓力轉(zhuǎn)換為力的場(chǎng)臺(tái)，應(yīng)準(zhǔn)確確定其有效面積，要求逐個(gè)進(jìn)行測(cè)量。