基于應力均勻化的超純水隔膜閥隔膜優化

閔 為，李 成，王金林，段 沛，霍為佳

(蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050)

引言

超純水隔膜閥是在傳統閥門的閥芯上安裝一種特殊材料制成的隔膜，具有耐化學腐蝕、結構簡單、低離子析出等優點，廣泛應用于半導體、航空航天、生命科學等領域[1-2]。

20世紀80年代起，國外學者為提高隔膜閥的使用壽命，對隔膜閥結構進行了一系列的優化。TSUTOMU S等[3]將隔膜設置為多層形式：鎳合金、不銹鋼、合成樹脂等(3個隔膜層材質不需相同)，采用多層膜的結構增加隔膜壽命。TOSHIAKI I等[4]采用了柔性隔膜，并與鏈接機構緊密貼合，防止隔膜褶皺，以延長隔膜的使用壽命。JOHNSON M W等[5]在堰部下面增加一個支承構件，有效防止堰和其他閥元件因受力形成翹曲和蠕變，延長了隔膜閥的使用壽命。GASHGAEE I等[6]通過在活塞和隔膜連接端開孔，采用氣壓分布壓緊隔膜，使隔膜閉合緊密，減少氣泡產生，降低隔膜所受應力，延長了隔膜的使用壽命。PEDERSEN等[7]采用夾斷式的流道結構，減少了流阻和壓強。在管道中心設置一立柱，可以減少彈性件的變形，延長隔膜壽命。文獻[8]將隔膜制作成向著閥座微微凸起的形狀，同時閥座相應地向著薄膜凹進設計，用增大表面的支撐力的方式來延長隔膜的使用壽命。

超純水隔膜閥在國內的研究起步晚于國外。張逸芳等[9]提出了運用CFD進行隔膜閥流量系數仿真計算過程中的關注點，分析了隔膜閥流量系數仿真計算結果及其計算精度。文獻[10]采用在閥蓋上開設通孔，通孔上方連接指示盒，并設置有指示桿的方法，提出了一套檢測隔膜是否失效的方法。

針對應力集中和疲勞壽命，柯尊忠等[11]分別采用有限元法和數學規劃法相結合的結構優化設計方法對邊界形狀進行優化設計，有效地降低了應力的峰值。王小毓等[12]采用FEMFAT疲勞仿真軟件，結合曲軸材料、表面加工工藝、應力循環特征等因素，綜合分析后得出曲軸的疲勞極限及安全系數。

上述學者為延長隔膜閥的使用壽命，對隔膜閥進行了改進和優化。本研究采用流固耦合仿真與應力分析的研究方法，針對超純水隔膜閥在工作中的受力特點，從應力均勻化的角度來優化隔膜結構，以提高隔膜閥的疲勞壽命。

1 超純水隔膜閥

超純水隔膜閥結構簡單，由閥體、隔膜和執行機構組合件3個主要部件構成。該閥在閥體和閥蓋內裝有一種PTFE(聚四氟乙烯)或者PFA(可溶性聚四氟乙烯)制作而成的隔膜，能理想地控制多種工作介質，但工作溫度通常受隔膜和閥體襯里所使用材料的限制。閥門開啟時，流體從左端流入，執行機構拉動隔膜離開閥座開啟閥門，流體從右端流出；閥門關閉時，執行件壓縮隔膜使隔膜與閥座貼合，關閉閥門，如圖1所示。

2 超純水隔膜閥仿真研究

為研究超純水隔膜閥在真實工作情況下的受力特點，對超純水隔膜閥的啟閉過程進行了流固耦合的仿真計算，并對其應力變化情況進行了詳細分析。

2.1 網格無關性驗證

為縮短計算周期，保證計算精度，在計算前對所要使用的離散網格模型進行了網格數量無關性驗證。分別對網格數目為17298個、23937個以及468920個的離散網格模型進行計算，同一點的應力值均保持在一個定值。在綜合考慮計算精度與計算周期的條件下，采用網格數目為23937個的離散化模型進行仿真計算，劃分好的網格和計算結果分別如圖2和圖3所示。

1.執行機構組合件 2.閥蓋 3.隔膜4.流道 5.閥座圖1 氣動超純水隔膜閥示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic ultrapure water diaphragm valve

圖2 隔膜離散化網格模型Fig.2 Diaphragm mesh

圖3 網格無關性驗證Fig.3 Grid-independent verification

2.2 流固耦合仿真

在流固耦合的仿真中，工作介質為25 ℃的超純水，固體材料的楊氏模量為280 MPa，密度為2190 kg/m3，泊松比為0.42。為了保證流場連續性，首先給定0.02 mm 的閥口開度。為了保證模擬接近于真實，設定閥門在0.5～0.8 s為開啟過程，0.8～1.2 s為保持過程，1.2～1.5 s為關閉閥門的過程。隔膜啟閉過程、隔膜應力隨時間變化曲線、最大閥口開度狀態下隔膜應力云圖和最大閥口開度狀態下流場壓力分布云圖分別如圖4～圖7所示。

圖4 隔膜啟閉過程Fig.4 Opening and closing process

從流固耦合的仿真結果來看，隨著閥口開度的增加，隔膜各點處的應力均近似成線性關系，如圖5所示。由于入口壓力在0.2 s內階躍至0.069 MPa，所以閥門在未開啟前也存在一段線性壓力。在閥門的開啟到關閉，除了由于壓力超調量產生的一個峰值外，其他地方均成線性關系。

圖5 隔膜應力隨時間變化曲線Fig.5 Diaphragm stress versus time curve

圖6是隔膜的應力分布云圖。由圖可知，在隔膜的過渡區和波浪區附近存在較大的應力集中，應力最大值出現在隔膜的過渡區上表面，為3.11 MPa；下表面最大應力2.56 MPa。波浪區的應力相對較小，最大應力出現在波浪區的下表面，為1.89 MPa。在隔膜的其他部位，沒有存在應力的明顯集中，表明過渡區和波浪區是隔膜的疲勞危險區，隔膜最容易在這2個區域產生疲勞破損；而且在波浪區易產生疲勞裂紋，是造成疲勞破損的結構應力集中因素。由圖7可知，在隔膜開啟的過程中，壓力和流速也一直隨時間的增加而增大，流場沖擊閥芯，應該在閥芯周圍處產生最大應力，但最大應力產生在離閥芯較遠處的區域。

圖6 最大閥口開度狀態下隔膜應力云圖Fig.6 Diaphragm stress at maximum valve opening

圖7 最大閥口開度狀態下流場壓力分布云圖Fig.7 Flow field pressure distribution under state of maximum valve opening

基于隔膜應力峰值出現在閥門完全開啟且不在閥芯附近。猜測隔膜失效的主要因素是機械拉伸所導致的，故隔膜在只有機械拉伸的情況下進行仿真，并與流固耦合進行對比。

2.3 應力分析

由于隔膜為軸對稱結構，故可選取隔膜的任一截面進行應力分析，在只有機械拉伸作用時，隔膜在最大閥口開度時的應力狀態分別如圖8、圖9所示。

圖8 隔膜應力云圖Fig.8 Diaphragm stress

圖9 隔膜表面應力分布曲線Fig.9 Diaphragm surface stress distribution curve

圖8中可以看到，在沒有液壓力的作用下，隔膜在受力后的應力集中點與流固耦合中的應力集中點基本重合。由圖9可知，隔膜的最大應力為3.05 MPa，且存在2處應力集中點，分別位于隔膜的過渡區和波浪區。過渡區為閥芯主要部分和波浪區的連接點，在受到執行機構的拉力之后，相當于一處懸臂梁，故產生了應力集中。而在波浪區，由于隔膜結構的多樣性導致了加工工藝的復雜性，使波浪區外表面存在肉眼可見的加工痕跡，則波浪區在受到拉力之后容易產生應力集中。

在0.5～0.8 s的時間，閥口開度從0 mm拉伸至0.32 mm，故在取流固耦合和機械拉伸的仿真對比時，將0.5 s作為0 s定義，取2號探針處的數據進行分析，如圖10所示。由于在流固耦合中，入口壓力在0.2 s內階躍至0.069 MPa，所以在閥門并未開啟前，隔膜已經受到了液壓力的作用，故流固耦合仿真的應力不是從0 MPa開始。在閥門開啟后，由圖可知，隨著閥口開度的逐漸增加，隔膜受到機械拉伸的應力逐漸增大，由于流固耦合存在液壓力的作用，使得其與機械拉伸對隔膜產生的應力存在相互抵消。故在閥口開度為0.10～0.32 mm過程中，機械拉伸所產生的應力比流固耦合中隔膜受到的應力高；而在閥口開度達到最大時，隔膜受到的最大應力基本一致，可以認為流場對隔膜所產生的應力基本可以忽略。

圖10 2號探針處應力對比Fig.10 Stress comparison at No.2

3 隔膜結構優化

對機械拉伸作用下的仿真進行部分優化，如圖11所示。

圖11 仿真結果放大圖Fig.11 An enlarged view of simulation results

將隔膜分為圖中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3個區域。當隔膜向上拉伸時，可以認為是Ⅰ帶動Ⅱ，Ⅱ帶動Ⅲ向上移動。由于Ⅱ與Ⅲ處的交接點A面積發生急劇的變化，導致應力集中。而在隔膜上下移動的過程中，降低隔膜的最大應力與應力幅值成為了提高隔膜壽命的關鍵因素。對Ⅰ，Ⅱ的端面進行優化，避免隔膜在向上拉伸時，由于端面發生急劇變化而產生應力集中。將區域Ⅲ的形狀進行優化，便于提高加工的精度，同時減小因加工所導致的應力集中。優化之后如圖12和圖13所示。

從圖12可看出，隔膜的最大應力降低至2.0 MPa，說明優化效果明顯。

圖12 優化之后的隔膜應力云圖Fig.12 Diaphragm stress after optimization

從圖13可以看出，在對隔膜優化前，隔膜存在4處應力集中的地方，應力分別為：3.11，2.59，2.27，3.05 MPa。優化后的峰值點為：2.00，1.28，1.27，1.36，1.70 MPa。對比優化前后，隔膜的最大應力明顯降低；且優化后的隔膜在工作時的應力趨于均勻化，有利于提高隔膜的使用壽命。

圖13 優化前后應力分布Fig.13 Stress comparison before and after optimization

4 結論

本研究以超純水隔膜閥為研究對象，結合理論分析及COMSOL模擬仿真方法，分析了超純水隔膜閥使用壽命的影響因素，提出了超純水隔膜閥的結構優化方案。

(1) 超純水隔膜閥隔膜受到的應力與閥口開度成線性關系，當閥門完全開啟時應力出現峰值；

(2) 小流量、低流速的超純水隔膜閥，流場對隔膜在啟閉過程中受到的應力影響較小，隔膜失效的主要因素是機械拉伸所引起的疲勞損壞；

(3) 超純水隔膜閥在過渡區和波浪區存在著明顯的應力集中，在對其進行優化后，應力波動幅值明顯降低，故超純水隔膜閥的結構還存在較大的優化空間。