顶杆作动开启式膜片的开启特性研究

0引言

隔离阀广泛应用于姿轨控增压回路系统中[1],在系统未启动时隔离阀内膜片将单组元介质隔离封存于增压贮箱液腔;当系统启动时,隔离阀(图1)内作动器点爆后其顶杆推动膜片开启,单组元介质流道打开,驱动系统建压。因此,隔离阀内膜片能否正常作动开启是影响系统能否建压的决定性因素。

学者们对影响膜片开启特性的主要因素开展了广泛研究。徐明等人[2]研究了膜片开启压力随刻痕直径变化的规律。郑成斌等人[3]研究了膜片刻痕处剩余厚度对开启压力的影响特性。刘洋等人[4]研究了刻痕剩余厚度、刻痕角度、刻痕形状等参数对膜片开启压力、开口角度等参数的影响规律。刘文博等人[5]研究了充放气速率对膜片开启特性的影响规律。白少卿等人[6]研究了材料抗拉强度、刻痕剩余厚度及试验系统状态对膜片开启压力稳定性的影响规律。姜薇等人[7]研究了破裂压力随刻痕剩余厚度变化的数值计算方法。

上述研究均针对的是膜片在气压力或液压力作用下的开启特性,未研究膜片在顶杆作动工况下的开启特性。为此,本文将通过理论计算与数值仿真相结合的方式,研究膜片刻痕处剩余厚度、膜片刻痕直径、顶杆直径、顶杆推力等因素对膜片作动开启特性的影响规律,以提高作动开启式膜片的开启可靠性。

1研究对象及研究方法

1.1 研究对象

以某型增压装置用隔离阀为研究对象,简化的3D模型如图2(a)所示。膜片材料为工业纯铝1A30,其余零件材料为钛合金TC4,原材料参数如表1所示。膜片采用单面C形刻痕,刻痕角度为30°,膜片基材厚度为0.5 mm,依据工程研制经验,铰链宽度按膜片刻痕直径的一半取值,如图2(b)所示。

1.2 研究方法

膜片作动开启过程为顶杆推力作用下产生的复杂塑性变形及剪切变形过程。为简化模型,应用剪切破坏机理[6,8],以沿膜片开启方向的切应力平均值为特征指标参数,利用控制变量法定量分析膜片刻痕处剩余厚度、膜片刻痕直径、顶杆直径、顶杆推力等因素对膜片作动开启特性的影响规律。膜片刻痕处切应力平均值计算公式如式(1)所示,膜片在顶杆压印处的切应力平均值计算公式如式(2)所示。

式中:F为顶杆推力(N);p为膜片刻痕侧承压压力(p为固定值,Mpa);D为膜片刻痕直径(mm);h为膜片刻痕处剩余厚度 (mm);T1为刻痕处切应力平均值(Mpa);d为顶杆直径(mm);H为膜片基材厚度(H为固定值,mm);T2为膜片在顶杆压印处的切应力平均值(Mpa)。

数值仿真中应用Ansys有限元仿真软件静力学分析(staticstructural)模块进行仿真分析,边界条件设置如表2所示。

2膜片作动开启的影响因素分析

由1.2节可知,为保证膜片可靠作动开启,T1、T2、T三者应满足:T1 ≥T>T2。为此本章节将研究h、D、d、F对T1及T2的影响规律并确定合理的匹配关系,保证膜片可靠作动开启。

2.1T1的影响因素分析

由公式(1)可知,T1受h、D、F三因素影响,为此本节将对多顶杆推力下T1随h及D的变化规律展开详细讨论。

多顶杆推力下T1随h的理论变化曲线如图3(a)所示,其中D取固定值4.4 mm。刻痕处切应力平均值与刻痕处剩余厚度成近似反比例函数关系,且随着顶杆推力的增加,反比例函数关系越发明显。因此,当顶杆推力较小且T1<T时,可通过减少刻痕处剩余厚度来快速提升膜片刻痕处的切应力,进而在有限条件下提高膜片作动开启的可靠性。然而,刻痕处剩余厚度过小会导致膜片制作难度加大,降低膜片单侧承压能力及长期贮存可靠性,因此,应从多角度考虑膜片最小剩余厚度合理取值。

多顶杆推力下T1随D的理论变化曲线如图3(b)所示,其中h取固定值0.2 mm。刻痕处切应力平均值与刻痕直径成近似反比例函数关系,且随着顶杆推力的增加,反比例函数关系越发明显。从图3可知,由于实际工程应用中D与h存在数量级差别,T1对h的变化敏感度更高。当顶杆推力较小且T1<T时,可通过减少刻痕处剩余厚度来快速提升膜片刻痕处的切应力,进而在有限条件下提高膜片作动开启的可靠性;当膜片刻痕剩余厚度无法变薄时,可适当缩小刻痕直径来提升膜片刻痕处的切应力。

2.2T2的影响因素分析

由公式(2)可知,T2受d及F两因素影响,在本节中将首先讨论d对T2的影响机制及对T1产生的关联影响以及膜片可靠作动开启时T1、T2需具备的匹配关系。

2.2.1d对T2的影响及对T1的关联影响

本节沿用2.1节分析成果,结合加工及应用等综合因素,将D、h、F选取为最优值,分析顶杆推力足够时顶杆直径d对T2的影响及对T1的关联影响。

本节中优选D值为4.4 mm,h值为0.2 mm,F值为150 N,分析顶杆推力足够时顶杆直径d对T2的影响及对T1 的关联影响,结果如图4所示,图中n=T1/T2,即剪切比。

从图4中可知,刻痕处切应力不受顶杆直径变化影响,剪切比与顶杆直径成近似线性增长关系。当d<2 mm时,T2 >T1 >T,剪切比小于1,说明此时膜片将从顶杆压印处撕裂,膜片未能从刻痕处正常作动开启;当d=2 mm时,T1、T2、T三者数值相近,剪切比接近于1,应通过数值仿真进一步分析此时膜片的开启特性;当d>2 mm时,T1>T>T2,剪切比大于1,理论分析此时膜片应从刻痕处正常作动开启,但仍需通过数值仿真进一步验证。

2.2.2T1与T2的匹配关系

通过Ansys有限元仿真软件对d为2、2.4、2.8 mm时(三处对应剪切比依次为1.05、1.28、1.51)的切应力分布情况展开进一步详细分析,为便于展示,将膜片上切应力高于47 Mpa的部位剔除,切应力云图如图5所示。

通过仿真结果可知,当d为2mm及2.4mm时,T2>T1>T,此时膜片仍沿顶杆压印处撕裂;当d为2.8mm时,T1>T>T2,剪切比为1.51,此时膜片将沿刻痕处可靠作动开启。相同条件下,T1、T2、T三者关系应满足T1>T>T2且T1/T2≥1.5,即为保证膜片可靠作动开启,顶杆直径应不小于2.8 mm。然而,顶杆直径亦不能无限增大,在考虑膜片作动开启安全性时,需兼顾顶杆直径与膜片刻痕直径的匹配关系,以满足膜片开启后的通径需求。

2.3F对T1、T2的影响规律分析

由公式(1)(2)可知,F为同时影响T1、T2的关键因素,又由2.2节可知,d是影响T1、T2匹配关系的核心要素,为此本节将对多顶杆直径d下顶杆推力F对T1、T2的影响规律展开详细讨论。

本节中优选D为4.4 mm,h为0.2 mm;多顶杆直径下T1、T2随F的变化曲线如图6(a)所示,多顶杆直径下n随F的变化曲线如图6(b)所示。从图6(a)可知,T1及T2均随F的增加成线性正相关趋势;且随着d的减小,T2随F的变化曲线斜率增大,当d≥2.8 mm时,曲线斜率随d值的增大变化较缓。从图6(b)可知,n随F的变化曲线成近似对数函数关系,随着F的增大,n的增长趋势越发缓慢;多顶杆直径下n随F的变化曲线形状相似,且与顶杆直径成线性增长关系。

当d≤2 mm时,T1始终略低于T2,且n始终小于1,在此工况下随着F的增加,顶杆将沿顶杆压印处将膜片撕裂并最终穿过膜片。换言之,当顶杆直径设计偏小导致T1<T2时,无法通过增大顶杆推力的方式提高膜片的作动开启可靠性。当d=2.4 mm时,T1虽略高于T2,但n始终低于1.5,结合2.3节分析结果,此时随着F的增加,顶杆将沿顶杆压印处将膜片撕裂并最终穿过膜片。当d≥2.8 mm时,T1始终高于T2,且随着F的增大,剪切比均会高于1.5,该工况下随着顶杆推力的增加,膜片将沿刻痕处可靠作动破裂。换言之,当顶杆直径合理,使得T1 >T2且T1/T2 ≥1.5时,顶杆推力的增大有助于进一步提高膜片的作动开启可靠性。

3 试验验证

为验证第2章分析结论,本章进行了对比验证试验,试验中优选D值为4.4 mm,h值为0.2 mm,F值为150 N;每组试验重复进行3次,对比试验结果如图7所示。试验1组及试验2组结果显示,顶杆沿压印处将膜片撕裂并最终穿过膜片,膜片刻痕处虽有塑性变形痕迹,但未撕裂。试验3组结果显示,膜片沿刻痕处完成作动开启,开启角度大于75O,膜片在顶杆压印处虽有塑性变形痕迹,但并未出现破损迹象。试验结果表明,第2章分析结果正确合理,可用于指导作动破裂式膜片的设计工作。

1)通过减薄膜片刻痕处剩余厚度或缩小膜片刻痕直径的方式,均可在有限条件下提高膜片的作动开启可靠性,但其具体值应依据工程制备及工程使用需求综合考虑。

2)顶杆直径是影响T1 的关键因素,是影响T1与T2匹配关系的核心要素。为保证膜片可靠作动开启,应调节顶杆直径使T1>T2且满足T1/T2≥1.5。

3)顶杆推力可使T1与T2 同时增大或缩小,但不会影响T1与T2 的匹配关系。当T1/T2 ≥1.5时,顶杆推力的增大会提高膜片的作动开启可靠性;当T1/T2<1.5时,顶杆推力的增大不会改变膜片的作动开启可靠性。

[参考文献]

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[5]刘文博,韩世涛,肖远,等.充放气速率对膜片阀膜片开裂的影响分析[J].中国设备工程,2020(18):121-122.

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[7]姜薇,许红卫,霍世慧.一种基于损伤机制的刻痕膜片断裂行为数值计算方法[J].火箭推进,2021,47(4):45-51.

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《机电信息》2025年第16期第7篇