焊接金属波纹管机械密封是一种重要的端面密封方式,由于其独特的结构和组成材料的属性,常用于石油化工领域的一些高温高压装置,如柴油加氢装置、连续重整装置、蜡油加氢装置、燃料油加氢精制、煤焦油加氢装置等。这些场合都对焊接金属波纹管的强度和刚度提出了很高的要求。目前,在焊接金属波纹管的强度分析方面,研究大多局限于减小应力集中导致的局部材料屈服,从整体上求解焊接金属波纹管失稳极限压力的研究较少;在焊接金属波纹管的刚度分析方面,大多单一从理论或仿真去分析,缺少综合理论、仿真、试验的刚度研究。针对以上问题,本文以项目方提供的60单、双层焊接金属波纹管为研究对象,从理论、仿真方面分析其失稳设计极限压力,从理论、仿真、试验方面分析其轴向刚度和弯曲刚度,主要研究内容和结论如下:（1）使用Solidworks建立了单、双层焊接金属波纹管的三维模型,利用薄壳理论对波纹管的波片进行了受力分析,求解了在受轴向力情况下,焊接金属波纹管波片各处的变形情况,指出内外缘焊菇发生轴向位移时,可以视为刚性平移,且与波片的偏转角皆为0。（2）对焊接金属波纹管波纹管进行强度分析,指出在强度分析中最关键的是失稳失效分析,使用EJMA理论公式计算60单层焊接金属波纹管的失稳设计极限压力为1.199 MPa,60双层焊接金属波纹管的失稳设计极限压力为2.398MPa;使用ANSYS Workbench建立60单、双层焊接金属波纹管的有限元模型,模拟实际工况,基于屈曲分析模块求解出60单层焊接金属波纹管的失稳设计极限压力为1.588 MPa,60双层焊接金属波纹管的失稳设计极限压力为2.909MPa;将理论计算结果与仿真结果对比分析,指出60单、双层焊接金属波纹管的理论计算误差分别为24.5%,17.6%;使用控制变量法,通过仿真分析了不同压缩量、转速、温度对失稳设计极限压力的影响,发现压缩量和转速对焊接金属波纹管的失稳设计极限压力影响很小,而温度影响较大,且失稳设计极限压力随着温度的升高而降低。（3）基于国内外学者在理论轴向刚度方面的研究,指出了没有广泛适用于S型焊接金属波纹管的轴向刚度纯理论公式,采用了工程经验公式计算了60单、双层焊接金属波纹管的理论轴向刚度分别为49.9 N/mm,99.8 N/mm;通过ANSYS Workbench静力学分析模块,仿真得到60单、双层焊接金属波纹管的压缩量——载荷数据,根据刚度定义计算得到60单、双层焊接金属波纹管的仿真轴向刚度为41.33 N/mm,84.00 N/mm;使用试验法测定60单、双层焊接金属波纹管的轴向刚度为41.00 N/mm,85.22 N/mm,将理论、仿真、试验数据进行了对比分析,发现工程经验公式误差较大,仿真计算误差较小,根据试验结果修正了工程经验公式;使用控制变量法,通过仿真分析了不同波数、波距、片厚对60单、双层焊接金属波纹管轴向刚度的影响,发现焊接金属波纹管波纹管轴向刚度,随着波数、波距的增加而降低,随着片厚的增加而增加。（4）阐述了焊接金属波纹管弯曲刚度的定义,基于国内外学者在弯曲刚度求解问题方面的研究,给出了将弯矩等效为轴向力,求解出的关于弯曲刚度的近似解,使用此方法计算得到60单、双层焊接金属波纹管的理论弯曲刚度分别为23698 N.mm/rad,49257.2 N.mm/rad;通过ANSYS Workbench静力学分析模块,仿真得到60单、双层焊接金属波纹管的弯矩——弯曲角度数据,计算得到60单、双层焊接金属波纹管的仿真弯曲刚度为27987.3 N.mm/rad,52387.5N.mm/rad;使用试验法测量60单、双层焊接金属波纹管的弯曲刚度为28162.0N.mm/rad,52820.1 N.mm/rad,并将理论、仿真、试验数据进行了对比分析,发现理论计算公式误差较大,仿真计算误差较小,根据试验结果修正了理论计算公式;使用控制变量法,通过仿真分析了不同波数、波距、片厚对60单、双层焊接金属波纹管弯曲刚度的影响,发现焊接金属波纹管波纹管弯曲刚度,随着波数、波距的增加而降低,随着片厚的增加而增加。