頂桿作動(dòng)開啟式膜片的開啟特性研究

中圖分類號(hào)：V431 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）16-0025-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.007

0 引言

隔離閥廣泛應(yīng)用于姿軌控增壓回路系統(tǒng)中[]，在系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)隔離閥內(nèi)膜片將單組元介質(zhì)隔離封存于增壓貯箱液腔；當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，隔離閥（圖1）內(nèi)作動(dòng)器點(diǎn)爆后其頂桿推動(dòng)膜片開啟，單組元介質(zhì)流道打開，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建壓。因此，隔離閥內(nèi)膜片能否正常作動(dòng)開啟是影響系統(tǒng)能否建壓的決定性因素。

圖1隔離閥模裝圖

學(xué)者們對(duì)影響膜片開啟特性的主要因素開展了廣泛研究。徐明等人2研究了膜片開啟壓力隨刻痕直徑變化的規(guī)律。鄭成斌等人[3研究了膜片刻痕處剩余厚度對(duì)開啟壓力的影響特性。劉洋等人[4研究了刻痕剩余厚度、刻痕角度、刻痕形狀等參數(shù)對(duì)膜片開啟壓力、開口角度等參數(shù)的影響規(guī)律。劉文博等人5研究了充放氣速率對(duì)膜片開啟特性的影響規(guī)律。白少卿等人研究了材料抗拉強(qiáng)度、刻痕剩余厚度及試驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)膜片開啟壓力穩(wěn)定性的影響規(guī)律。姜薇等人研究了破裂壓力隨刻痕剩余厚度變化的數(shù)值計(jì)算方法。

上述研究均針對(duì)的是膜片在氣壓力或液壓力作用下的開啟特性，未研究膜片在頂桿作動(dòng)工況下的開啟特性。為此，本文將通過理論計(jì)算與數(shù)值仿真相結(jié)合的方式，研究膜片刻痕處剩余厚度、膜片刻痕直徑、頂桿直徑、頂桿推力等因素對(duì)膜片作動(dòng)開啟特性的影響規(guī)律，以提高作動(dòng)開啟式膜片的開啟可靠性。

1 研究對(duì)象及研究方法

1.1 研究對(duì)象

以某型增壓裝置用隔離閥為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化的3D模型如圖2（a）所示。膜片材料為工業(yè)純鋁1A30，其余零件材料為鈦合金TC4，原材料參數(shù)如表1所示。膜片采用單面C形刻痕，刻痕角度為 30^° ，膜片基材厚度為 0.5mm ，依據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)，鉸鏈寬度按膜片刻痕直徑的一半取值，如圖2（b）所示。

1.2 研究方法

膜片作動(dòng)開啟過程為頂桿推力作用下產(chǎn)生的復(fù)雜塑性變形及剪切變形過程。為簡(jiǎn)化模型，應(yīng)用剪切破壞機(jī)理[68]，以沿膜片開啟方向的切應(yīng)力平均值為特征指標(biāo)參數(shù)，利用控制變量法定量分析膜片刻痕處剩余厚度、膜片刻痕直徑、頂桿直徑、頂桿推力等因素對(duì)膜片作動(dòng)開啟特性的影響規(guī)律。膜片刻痕處切應(yīng)力平均值計(jì)算公式如式（1）所示，膜片在頂桿壓印處的切應(yīng)力平均值計(jì)算公式如式（2）所示。

1—閥體；2—頂桿；3—膜片；4—壓環(huán)；5—壓緊螺母。

圖2模型示意圖

式中： F 為頂桿推力 （N） ： p 為膜片刻痕側(cè)承壓壓力 （p 為固定值， MPa）：D 為膜片刻痕直徑 （mm） ： h 為膜片刻痕處剩余厚度 （mm） ）； τ₁ 為刻痕處切應(yīng)力平均值（MPa） ： d 為頂桿直徑 （mm） ： H 為膜片基材厚度 （H 為固定值， mm） ： τ₂ 為膜片在頂桿壓印處的切應(yīng)力平均值（MPa）。

數(shù)值仿真中應(yīng)用Ansys有限元仿真軟件靜力學(xué)分析（StaticStructural）模塊進(jìn)行仿真分析，邊界條件設(shè)置如表2所示。

2 膜片作動(dòng)開啟的影響因素分析

由1.2節(jié)可知，為保證膜片可靠作動(dòng)開啟， τ₁?τ₂ τ 三者應(yīng)滿足： τ₁≥τgt;τ₂ 。為此本章節(jié)將研究 h，D，d，F(xiàn) 對(duì) ?_τ1 及 τ₂ 的影響規(guī)律并確定合理的匹配關(guān)系，保證膜片可靠作動(dòng)開啟。

2.1 τ₁ 的影響因素分析

由公式（1）可知， τ₁ 受 R，D，F(xiàn) 三因素影響，為此本節(jié)將對(duì)多頂桿推力下 τ₁ 隨 h 及 D 的變化規(guī)律展開詳細(xì)討論。

多頂桿推力下 τ₁ 隨h的理論變化曲線如圖3（a）所示，其中 D 取固定值 4.4mm 。刻痕處切應(yīng)力平均值與刻痕處剩余厚度成近似反比例函數(shù)關(guān)系，且隨著頂桿推力的增加，反比例函數(shù)關(guān)系越發(fā)明顯。因此，當(dāng)頂桿推力較小且 τ₁lt;τ 時(shí)，可通過減少刻痕處剩余厚度來快速提升膜片刻痕處的切應(yīng)力，進(jìn)而在有限條件下提高膜片作動(dòng)開啟的可靠性。然而，刻痕處剩余厚度過小會(huì)導(dǎo)致膜片制作難度加大，降低膜片單側(cè)承壓能力及長(zhǎng)期貯存可靠性，因此，應(yīng)從多角度考慮膜片最小剩余厚度合理取值。

多頂桿推力下 τ₁ 隨 D 的理論變化曲線如圖3（b）所示，其中 h 取固定值 0.2mm ?？毯厶幥袘?yīng)力平均值與刻痕直徑成近似反比例函數(shù)關(guān)系，且隨著頂桿推力的增加，反比例函數(shù)關(guān)系越發(fā)明顯。從圖3可知，由于實(shí)際工程應(yīng)用中 D 與h存在數(shù)量級(jí)差別， τ₁ 對(duì)h的變化敏感度更高。當(dāng)頂桿推力較小且 τ₁lt;τ 時(shí)，可通過減少刻痕處剩余厚度來快速提升膜片刻痕處的切應(yīng)力，進(jìn)而在有限條件下提高膜片作動(dòng)開啟的可靠性；當(dāng)膜片刻痕剩余厚度無法變薄時(shí)，可適當(dāng)縮小刻痕直徑來提升膜片刻痕處的切應(yīng)力。

表2數(shù)值仿真中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置統(tǒng)計(jì)表

表1原材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 τ? 理論變化曲線

2.2 τ₂ 的影響因素分析

由公式（2）可知， τ₂ 受 d 及F兩因素影響，在本節(jié)中將首先討論 d 對(duì) τ₂ 的影響機(jī)制及對(duì) ?_τ1 產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)影響以及膜片可靠作動(dòng)開啟時(shí) τ_1?τ₂ 需具備的匹配關(guān)系。

2.2.1 d 對(duì) ?_τ2 的影響及對(duì) ?_τ1 的關(guān)聯(lián)影響

本節(jié)沿用2.1節(jié)分析成果，結(jié)合加工及應(yīng)用等綜合因素，將 D，h，F(xiàn) 選取為最優(yōu)值，分析頂桿推力足夠時(shí)頂桿直徑d對(duì) ?_τ2 的影響及對(duì) ?_τ1 的關(guān)聯(lián)影響。

本節(jié)中優(yōu)選 D 值為 4.4mm， h 值為 0.2mm F 值為150N ，分析頂桿推力足夠時(shí)頂桿直徑 d 對(duì) τ₂ 的影響及對(duì) ?_τ1 的關(guān)聯(lián)影響，結(jié)果如圖4所示，圖中 n=τ₁/τ₂ ，即剪切比。

從圖4中可知，刻痕處切應(yīng)力不受頂桿直徑變化影響，剪切比與頂桿直徑成近似線性增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)dlt;2mm 時(shí)， τ₂gt;τ₁gt;τ ，剪切比小于1，說明此時(shí)膜片將從頂桿壓印處撕裂，膜片未能從刻痕處正常作動(dòng)開啟；當(dāng) d=2mm 時(shí)， τ₁，τ₂，τ 三者數(shù)值相近，剪切比接近于1，應(yīng)通過數(shù)值仿真進(jìn)一步分析此時(shí)膜片的開啟特性；當(dāng) dgt;2mm 時(shí)， τ₁gt;τgt;τ₂ ，剪切比大于1，理論分析此時(shí)膜片應(yīng)從刻痕處正常作動(dòng)開啟，但仍需通過數(shù)值仿真進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2.2 τ₁ 與 τ₂ 的匹配關(guān)系

通過Ansys有限元仿真軟件對(duì) d 為 2、2、4、2、8mm 時(shí)（三處對(duì)應(yīng)剪切比依次為1.05、1.28、1.51）的切應(yīng)力分布情況展開進(jìn)一步詳細(xì)分析，為便于展示，將膜片上切應(yīng)力高于 47MPa 的部位剔除，切應(yīng)力云圖如圖5所示。

通過仿真結(jié)果可知，當(dāng) d 為 2mm 及 2.4mm 時(shí)，τ₂gt;τ₁gt;τ ，此時(shí)膜片仍沿頂桿壓印處撕裂；當(dāng)d為 12.8mm 時(shí)， τ₁gt;τgt;τ₂ ，剪切比為1.51，此時(shí)膜片將沿刻痕處可靠作動(dòng)開啟。相同條件下， 三者關(guān)系應(yīng)滿足τ₁gt;τgt;τ₂ 且 _τ1/τ2?1.5 ，即為保證膜片可靠作動(dòng)開啟，頂桿直徑應(yīng)不小于 2.8mm 。然而，頂桿直徑亦不能無限增大，在考慮膜片作動(dòng)開啟安全性時(shí)，需兼顧頂桿直徑與膜片刻痕直徑的匹配關(guān)系，以滿足膜片開啟后的通徑需求。

2.3 F 對(duì) τ₁，τ₂ 的影響規(guī)律分析

由公式（1）（2）可知， F 為同時(shí)影響 τ₁，τ₂ 的關(guān)鍵因素，又由2.2節(jié)可知， d 是影響 τ₁?τ₂ 匹配關(guān)系的核心要素，為此本節(jié)將對(duì)多頂桿直徑d下頂桿推力 F 對(duì) τ₁，τ₂ 的影響規(guī)律展開詳細(xì)討論。

（a）d為2mm的膜片切應(yīng)力云圖

（b）d為2.4mm的膜片切應(yīng)力云圖

圖5膜片切應(yīng)力仿真云圖

本節(jié)中優(yōu)選D為 4.4mm ，h為 ?0.2mm ；多頂桿直徑下 τ₁，τ₂ 隨F的變化曲線如圖6（a）所示，多頂桿直徑下n 隨F的變化曲線如圖6（b）所示。從圖6（a）可知， τ₁ 及τ₂ 均隨F的增加成線性正相關(guān)趨勢(shì)；且隨著d的減小，τ₂ 隨F的變化曲線斜率增大，當(dāng) d≥2.8mm 時(shí)，曲線斜率隨d值的增大變化較緩。從圖6（b）可知， n 隨F的變化曲線成近似對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著F的增大， n 的增長(zhǎng)趨勢(shì)越發(fā)緩慢；多頂桿直徑下 n 隨F的變化曲線形狀相似，且與頂桿直徑成線性增長(zhǎng)關(guān)系。

圖6T及n隨F的變化曲線

當(dāng) d?2mm 時(shí)， τ₁ 始終略低于 ?_τ2 ，且 n 始終小于1，在此工況下隨著 F 的增加，頂桿將沿頂桿壓印處將膜片撕裂并最終穿過膜片。換言之，當(dāng)頂桿直徑設(shè)計(jì)偏小導(dǎo)致 τ₁lt;τ₂ 時(shí)，無法通過增大頂桿推力的方式提高膜片的作動(dòng)開啟可靠性。當(dāng) d=2.4mm 時(shí)， τ₁ 雖略高于τ₂ ，但 Ω_n 始終低于1.5，結(jié)合2.3節(jié)分析結(jié)果，此時(shí)隨著 F 的增加，頂桿將沿頂桿壓印處將膜片撕裂并最終穿過膜片。當(dāng) d≥2.8mm 時(shí)， τ₁ 始終高于 ?_τ2 ，且隨著F的增大，剪切比均會(huì)高于1.5，該工況下隨著頂桿推力的增加，膜片將沿刻痕處可靠作動(dòng)破裂。換言之，當(dāng)頂桿直徑合理，使得 τ₁gt;τ₂ 且 _τ1/τ2?1.5 時(shí)，頂桿推力的增大有助于進(jìn)一步提高膜片的作動(dòng)開啟可靠性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證第2章分析結(jié)論，本章進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)中優(yōu)選 D 值為 4.4mm h 值為 0.2mm F 值為150N ；每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)1組及試驗(yàn)2組結(jié)果顯示，頂桿沿壓印處將膜片撕裂并最終穿過膜片，膜片刻痕處雖有塑性變形痕跡，但未撕裂。試驗(yàn)3組結(jié)果顯示，膜片沿刻痕處完成作動(dòng)開啟，開啟角度大于 75^° ，膜片在頂桿壓印處雖有塑性變形痕跡，但并未出現(xiàn)破損跡象。試驗(yàn)結(jié)果表明，第2章分析結(jié)果正確合理，可用于指導(dǎo)作動(dòng)破裂式膜片的設(shè)計(jì)工作。

圖7膜片破裂對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果匯總

4結(jié)論

本文通過理論計(jì)算與數(shù)值仿真相結(jié)合的方式對(duì)頂桿作動(dòng)開啟式膜片的開啟特性展開了詳細(xì)分析，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：

1）通過減薄膜片刻痕處剩余厚度或縮小膜片刻痕直徑的方式，均可在有限條件下提高膜片的作動(dòng)開啟可靠性，但其具體值應(yīng)依據(jù)工程制備及工程使用需求綜合考慮。

2）頂桿直徑是影響 τ₁ 的關(guān)鍵因素，是影響 τ₁ 與 τ₂ 匹配關(guān)系的核心要素。為保證膜片可靠作動(dòng)開啟，應(yīng)調(diào)節(jié)頂桿直徑使 τ₁gt;τ₂ 且滿足 _τ1/τ2?1.5 。

3）頂桿推力可使 τ₁ 與 τ₂ 同時(shí)增大或縮小，但不會(huì)影響 τ₁ 與 τ₂ 的匹配關(guān)系。當(dāng) τ₁/τ₂?1.5 時(shí)，頂桿推力的增大會(huì)提高膜片的作動(dòng)開啟可靠性；當(dāng) τ₁/τ₂lt;1.5 時(shí)，頂桿推力的增大不會(huì)改變膜片的作動(dòng)開啟可靠性。

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