本文针对地质钻探领域使用的Φ108/96规格膨胀波纹管进行了管材材质选择、截面形状设计,利用ANSYS软件进行有限元分析、优选出最优截面形状,在最优截面形状下研究厚度、波峰半径和波谷半径对膨胀波纹管膨胀效果的影响。然后从力学、质点位移的角度分析膨胀波纹管在膨胀过程中的不同阶段不同受力、位移情况,最后对所选的最佳截面按照前文所得的规律进行优化改进,探究最佳截面,为膨胀波纹管的加工和现场应用提供理论依据。考虑到地质勘探的特殊性,决定在常用管材中选择屈强比低、均匀变形能力强、价格便宜、易于加工的膨胀管材。对满足上述条件的一些管材,通过拔管、热处理、膨胀这三个步骤,最终选择了编号为KP02的管材作为膨胀管材。该材料的抗拉极限强度为520 MPa、弹性模量为200GPa、泊松比为0.3、屈服强度为185 MPa。在抗内外压强度条件下(计算得壁厚t≥3.24mm,取t=3.5mm和4mm),从膨胀管截面的几何关系出发,计算并设计了四瓣梅花形截面A、B、六瓣梅花形截面C、D、八瓣梅花形截面E、F、十瓣梅花形截面G这七种不同形状的Φ108/96规格的膨胀波纹管截面。其次将所设计的四瓣梅花形截面A、六瓣梅花形截面D、八瓣梅花形截面F、十瓣梅花形截面G的CAD图形导入ANSYS,建立膨胀波纹管的平面模型。然后对膨胀压力进行选择,该压力能使所选截面膨胀后的的最大、最小外径均落在原管外径周围。经过反复模拟最后确定,所选材料的膨胀力为12MPa。接着对A、D、F、G截面进行模拟,结果表明六瓣梅花形的D的最小外径102.30mm最大,通径能力最好,结合其不错的椭圆度9.90%,综合考虑选择六瓣梅花形为最佳截面形状。在最佳截面形状的基础上,设计了壁厚为4mm和4.5mm的膨胀波纹管截面D1、D2,模拟得到结论:随着壁厚增加,椭圆度急剧增大、最小外径减小。在六瓣梅花形和壁厚3.5mm的基础上,设计不同的峰谷半径的截面C1,模拟得到峰谷半径差值越小,椭圆度越小,最小外径越大。最后采用力学、质点位移分析了膨胀波纹管的膨胀过程。针对上文所选择的D截面,根据所总结的膨胀波纹管选择规律,对其继续优化,最终得到峰谷半径的差值越接近壁厚,那么膨胀效果越好,并得到D截面为最佳截面。