頂桿作動開啟式膜片的開啟特性研究

中圖分類號：V431 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0025-05

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

0 引言

隔離閥廣泛應用于姿軌控增壓回路系統中[]，在系統未啟動時隔離閥內膜片將單組元介質隔離封存于增壓貯箱液腔；當系統啟動時，隔離閥（圖1）內作動器點爆后其頂桿推動膜片開啟，單組元介質流道打開，驅動系統建壓。因此，隔離閥內膜片能否正常作動開啟是影響系統能否建壓的決定性因素。

圖1隔離閥模裝圖

學者們對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律。鄭成斌等人[3研究了膜片刻痕處剩余厚度對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、刻痕形狀等參數對膜片開啟壓力、開口角度等參數的影響規律。劉文博等人5研究了充放氣速率對膜片開啟特性的影響規律。白少卿等人研究了材料抗拉強度、刻痕剩余厚度及試驗系統狀態對膜片開啟壓力穩定性的影響規律。姜薇等人研究了破裂壓力隨刻痕剩余厚度變化的數值計算方法。

上述研究均針對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工況下的開啟特性。為此，本文將通過理論計算與數值仿真相結合的方式，研究膜片刻痕處剩余厚度、膜片刻痕直徑、頂桿直徑、頂桿推力等因素對膜片作動開啟特性的影響規律，以提高作動開啟式膜片的開啟可靠性。

1 研究對象及研究方法

1.1 研究對象

以某型增壓裝置用隔離閥為研究對象，簡化的3D模型如圖2（a）所示。膜片材料為工業純鋁1A30，其余零件材料為鈦合金TC4，原材料參數如表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 ，依據工程研制經驗，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

膜片作動開啟過程為頂桿推力作用下產生的復雜塑性變形及剪切變形過程。為簡化模型，應用剪切破壞機理[68]，以沿膜片開啟方向的切應力平均值為特征指標參數，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、頂桿推力等因素對膜片作動開啟特性的影響規律。膜片刻痕處切應力平均值計算公式如式（1）所示，膜片在頂桿壓印處的切應力平均值計算公式如式（2）所示。

1—閥體；2—頂桿；3—膜片；4—壓環；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力平均值（MPa）。

數值仿真中應用Ansys有限元仿真軟件靜力學分析（StaticStructural）模塊進行仿真分析，邊界條件設置如表2所示。

2 膜片作動開啟的影響因素分析

由1.2節可知，為保證膜片可靠作動開啟， τ₁?τ₂ τ 三者應滿足： τ₁≥τgt;τ₂ 。為此本章節將研究 h，D，d，F 對 ?_τ1 及 τ₂ 的影響規律并確定合理的匹配關系，保證膜片可靠作動開啟。

2.1 τ₁ 的影響因素分析

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

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 。刻痕處切應力平均值與刻痕處剩余厚度成近似反比例函數關系，且隨著頂桿推力的增加，反比例函數關系越發明顯。因此，當頂桿推力較小且 τ₁lt;τ 時，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力，進而在有限條件下提高膜片作動開啟的可靠性。然而，刻痕處剩余厚度過小會導致膜片制作難度加大，降低膜片單側承壓能力及長期貯存可靠性，因此，應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 。刻痕處切應力平均值與刻痕直徑成近似反比例函數關系，且隨著頂桿推力的增加，反比例函數關系越發明顯。從圖3可知，由于實際工程應用中 D 與h存在數量級差別， τ₁ 對h的變化敏感度更高。當頂桿推力較小且 τ₁lt;τ 時，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力，進而在有限條件下提高膜片作動開啟的可靠性；當膜片刻痕剩余厚度無法變薄時，可適當縮小刻痕直徑來提升膜片刻痕處的切應力。

表2數值仿真中的關鍵參數設置統計表

表1原材料參數統計表

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，在本節中將首先討論 d 對 τ₂ 的影響機制及對 ?_τ1 產生的關聯影響以及膜片可靠作動開啟時 τ_1?τ₂ 需具備的匹配關系。

2.2.1 d 對 ?_τ2 的影響及對 ?_τ1 的關聯影響

本節沿用2.1節分析成果，結合加工及應用等綜合因素，將 D，h，F 選取為最優值，分析頂桿推力足夠時頂桿直徑d對 ?_τ2 的影響及對 ?_τ1 的關聯影響。

本節中優選 D 值為 4.4mm， h 值為 0.2mm F 值為150N ，分析頂桿推力足夠時頂桿直徑 d 對 τ₂ 的影響及對 ?_τ1 的關聯影響，結果如圖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關系。當dlt;2mm 時， τ₂gt;τ₁gt;τ ，剪切比小于1，說明此時膜片將從頂桿壓印處撕裂，膜片未能從刻痕處正常作動開啟；當 d=2mm 時， τ₁，τ₂，τ 三者數值相近，剪切比接近于1，應通過數值仿真進一步分析此時膜片的開啟特性；當 dgt;2mm 時， τ₁gt;τgt;τ₂ ，剪切比大于1，理論分析此時膜片應從刻痕處正常作動開啟，但仍需通過數值仿真進一步驗證。

2.2.2 τ₁ 與 τ₂ 的匹配關系

通過Ansys有限元仿真軟件對 d 為 2、2、4、2、8mm 時（三處對應剪切比依次為1.05、1.28、1.51）的切應力分布情況展開進一步詳細分析，為便于展示，將膜片上切應力高于 47MPa 的部位剔除，切應力云圖如圖5所示。

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

2.3 F 對 τ₁，τ₂ 的影響規律分析

由公式（1）（2）可知， F 為同時影響 τ₁，τ₂ 的關鍵因素，又由2.2節可知， d 是影響 τ₁?τ₂ 匹配關系的核心要素，為此本節將對多頂桿直徑d下頂桿推力 F 對 τ₁，τ₂ 的影響規律展開詳細討論。

（a）d為2mm的膜片切應力云圖

（b）d為2.4mm的膜片切應力云圖

圖5膜片切應力仿真云圖

本節中優選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趨勢；且隨著d的減小，τ₂ 隨F的變化曲線斜率增大，當 d≥2.8mm 時，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數函數關系，隨著F的增大， n 的增長趨勢越發緩慢；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關系。

圖6T及n隨F的變化曲線

當 d?2mm 時， 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，當頂桿直徑設計偏小導致 τ₁lt;τ₂ 時，無法通過增大頂桿推力的方式提高膜片的作動開啟可靠性。當 d=2.4mm 時， τ₁ 雖略高于τ₂ ，但 Ω_n 始終低于1.5，結合2.3節分析結果，此時隨著 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 d≥2.8mm 時， τ₁ 始終高于 ?_τ2 ，且隨著F的增大，剪切比均會高于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破裂。換言之，當頂桿直徑合理，使得 τ₁gt;τ₂ 且 _τ1/τ2?1.5 時，頂桿推力的增大有助于進一步提高膜片的作動開啟可靠性。

3 試驗驗證

為驗證第2章分析結論，本章進行了對比驗證試驗，試驗中優選 D 值為 4.4mm h 值為 0.2mm F 值為150N ；每組試驗重復進行3次，對比試驗結果如圖7所示。試驗1組及試驗2組結果顯示，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3組結果顯示，膜片沿刻痕處完成作動開啟，開啟角度大于 75^° ，膜片在頂桿壓印處雖有塑性變形痕跡，但并未出現破損跡象。試驗結果表明，第2章分析結果正確合理，可用于指導作動破裂式膜片的設計工作。

圖7膜片破裂對比試驗結果匯總

4結論

本文通過理論計算與數值仿真相結合的方式對頂桿作動開啟式膜片的開啟特性展開了詳細分析，并進行了驗證試驗，可以得出如下結論：

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開啟可靠性，但其具體值應依據工程制備及工程使用需求綜合考慮。

2）頂桿直徑是影響 τ₁ 的關鍵因素，是影響 τ₁ 與 τ₂ 匹配關系的核心要素。為保證膜片可靠作動開啟，應調節頂桿直徑使 τ₁gt;τ₂ 且滿足 _τ1/τ2?1.5 。

3）頂桿推力可使 τ₁ 與 τ₂ 同時增大或縮小，但不會影響 τ₁ 與 τ₂ 的匹配關系。當 τ₁/τ₂?1.5 時，頂桿推力的增大會提高膜片的作動開啟可靠性；當 τ₁/τ₂lt;1.5 時，頂桿推力的增大不會改變膜片的作動開啟可靠性。

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