閔 為，李 成，王金林，段 沛，霍為佳

(蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

引言

超純水隔膜閥是在傳統(tǒng)閥門的閥芯上安裝一種特殊材料制成的隔膜，具有耐化學(xué)腐蝕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低離子析出等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、航空航天、生命科學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。

20世紀(jì)80年代起，國外學(xué)者為提高隔膜閥的使用壽命，對(duì)隔膜閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化。TSUTOMU S等[3]將隔膜設(shè)置為多層形式：鎳合金、不銹鋼、合成樹脂等(3個(gè)隔膜層材質(zhì)不需相同)，采用多層膜的結(jié)構(gòu)增加隔膜壽命。TOSHIAKI I等[4]采用了柔性隔膜，并與鏈接機(jī)構(gòu)緊密貼合，防止隔膜褶皺，以延長(zhǎng)隔膜的使用壽命。JOHNSON M W等[5]在堰部下面增加一個(gè)支承構(gòu)件，有效防止堰和其他閥元件因受力形成翹曲和蠕變，延長(zhǎng)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?jí)壕o隔膜，使隔膜閉合緊密，減少氣泡產(chǎn)生，降低隔膜所受應(yīng)力，延長(zhǎng)了隔膜的使用壽命。PEDERSEN等[7]采用夾斷式的流道結(jié)構(gòu)，減少了流阻和壓強(qiáng)。在管道中心設(shè)置一立柱，可以減少彈性件的變形，延長(zhǎng)隔膜壽命。文獻(xiàn)[8]將隔膜制作成向著閥座微微凸起的形狀，同時(shí)閥座相應(yīng)地向著薄膜凹進(jìn)設(shè)計(jì)，用增大表面的支撐力的方式來延長(zhǎng)隔膜的使用壽命。

超純水隔膜閥在國內(nèi)的研究起步晚于國外。張逸芳等[9]提出了運(yùn)用CFD進(jìn)行隔膜閥流量系數(shù)仿真計(jì)算過程中的關(guān)注點(diǎn)，分析了隔膜閥流量系數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果及其計(jì)算精度。文獻(xiàn)[10]采用在閥蓋上開設(shè)通孔，通孔上方連接指示盒，并設(shè)置有指示桿的方法，提出了一套檢測(cè)隔膜是否失效的方法。

針對(duì)應(yīng)力集中和疲勞壽命，柯尊忠等[11]分別采用有限元法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法相結(jié)合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)邊界形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地降低了應(yīng)力的峰值。王小毓等[12]采用FEMFAT疲勞仿真軟件，結(jié)合曲軸材料、表面加工工藝、應(yīng)力循環(huán)特征等因素，綜合分析后得出曲軸的疲勞極限及安全系數(shù)。

上述學(xué)者為延長(zhǎng)隔膜閥的使用壽命，對(duì)隔膜閥進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。本研究采用流固耦合仿真與應(yīng)力分析的研究方法，針對(duì)超純水隔膜閥在工作中的受力特點(diǎn)，從應(yīng)力均勻化的角度來優(yōu)化隔膜結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由閥體、隔膜和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合件3個(gè)主要部件構(gòu)成。該閥在閥體和閥蓋內(nèi)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(zhì)，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(shí)，流體從左端流入，執(zhí)行機(jī)構(gòu)拉動(dòng)隔膜離開閥座開啟閥門，流體從右端流出；閥門關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行件壓縮隔膜使隔膜與閥座貼合，關(guān)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(shí)工作情況下的受力特點(diǎn)，對(duì)超純水隔膜閥的啟閉過程進(jìn)行了流固耦合的仿真計(jì)算，并對(duì)其應(yīng)力變化情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為縮短計(jì)算周期，保證計(jì)算精度，在計(jì)算前對(duì)所要使用的離散網(wǎng)格模型進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗(yàn)證。分別對(duì)網(wǎng)格數(shù)目為17298個(gè)、23937個(gè)以及468920個(gè)的離散網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，同一點(diǎn)的應(yīng)力值均保持在一個(gè)定值。在綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算周期的條件下，采用網(wǎng)格數(shù)目為23937個(gè)的離散化模型進(jìn)行仿真計(jì)算，劃分好的網(wǎng)格和計(jì)算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合件 2.閥蓋 3.隔膜4.流道 5.閥座圖1 氣動(dòng)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(wǎng)格模型Fig.2 Diaphragm mesh

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)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(zhì)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(chǎng)連續(xù)性，首先給定0.02 mm 的閥口開度。為了保證模擬接近于真實(shí)，設(shè)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(guān)閉閥門的過程。隔膜啟閉過程、隔膜應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線、最大閥口開度狀態(tài)下隔膜應(yīng)力云圖和最大閥口開度狀態(tài)下流場(chǎng)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(jié)果來看，隨著閥口開度的增加，隔膜各點(diǎn)處的應(yīng)力均近似成線性關(guān)系，如圖5所示。由于入口壓力在0.2 s內(nèi)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(guān)閉，除了由于壓力超調(diào)量產(chǎn)生的一個(gè)峰值外，其他地方均成線性關(guān)系。

圖5 隔膜應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Diaphragm stress versus time curve

圖6是隔膜的應(yīng)力分布云圖。由圖可知，在隔膜的過渡區(qū)和波浪區(qū)附近存在較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隔膜的過渡區(qū)上表面，為3.11 MPa；下表面最大應(yīng)力2.56 MPa。波浪區(qū)的應(yīng)力相對(duì)較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在波浪區(qū)的下表面，為1.89 MPa。在隔膜的其他部位，沒有存在應(yīng)力的明顯集中，表明過渡區(qū)和波浪區(qū)是隔膜的疲勞危險(xiǎn)區(qū)，隔膜最容易在這2個(gè)區(qū)域產(chǎn)生疲勞破損；而且在波浪區(qū)易產(chǎn)生疲勞裂紋，是造成疲勞破損的結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shí)間的增加而增大，流場(chǎng)沖擊閥芯，應(yīng)該在閥芯周圍處產(chǎn)生最大應(yīng)力，但最大應(yīng)力產(chǎn)生在離閥芯較遠(yuǎn)處的區(qū)域。

圖6 最大閥口開度狀態(tài)下隔膜應(yīng)力云圖Fig.6 Diaphragm stress at maximum valve opening

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

基于隔膜應(yīng)力峰值出現(xiàn)在閥門完全開啟且不在閥芯附近。猜測(cè)隔膜失效的主要因素是機(jī)械拉伸所導(dǎo)致的，故隔膜在只有機(jī)械拉伸的情況下進(jìn)行仿真，并與流固耦合進(jìn)行對(duì)比。

2.3 應(yīng)力分析

由于隔膜為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故可選取隔膜的任一截面進(jìn)行應(yīng)力分析，在只有機(jī)械拉伸作用時(shí)，隔膜在最大閥口開度時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)分別如圖8、圖9所示。

圖8 隔膜應(yīng)力云圖Fig.8 Diaphragm stress

圖9 隔膜表面應(yīng)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(yīng)力集中點(diǎn)與流固耦合中的應(yīng)力集中點(diǎn)基本重合。由圖9可知，隔膜的最大應(yīng)力為3.05 MPa，且存在2處應(yīng)力集中點(diǎn)，分別位于隔膜的過渡區(qū)和波浪區(qū)。過渡區(qū)為閥芯主要部分和波浪區(qū)的連接點(diǎn)，在受到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的拉力之后，相當(dāng)于一處懸臂梁，故產(chǎn)生了應(yīng)力集中。而在波浪區(qū)，由于隔膜結(jié)構(gòu)的多樣性導(dǎo)致了加工工藝的復(fù)雜性，使波浪區(qū)外表面存在肉眼可見的加工痕跡，則波浪區(qū)在受到拉力之后容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

在0.5～0.8 s的時(shí)間，閥口開度從0 mm拉伸至0.32 mm，故在取流固耦合和機(jī)械拉伸的仿真對(duì)比時(shí)，將0.5 s作為0 s定義，取2號(hào)探針處的數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)階躍至0.069 MPa，所以在閥門并未開啟前，隔膜已經(jīng)受到了液壓力的作用，故流固耦合仿真的應(yīng)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(jī)械拉伸的應(yīng)力逐漸增大，由于流固耦合存在液壓力的作用，使得其與機(jī)械拉伸對(duì)隔膜產(chǎn)生的應(yīng)力存在相互抵消。故在閥口開度為0.10～0.32 mm過程中，機(jī)械拉伸所產(chǎn)生的應(yīng)力比流固耦合中隔膜受到的應(yīng)力高；而在閥口開度達(dá)到最大時(shí)，隔膜受到的最大應(yīng)力基本一致，可以認(rèn)為流場(chǎng)對(duì)隔膜所產(chǎn)生的應(yīng)力基本可以忽略。

圖10 2號(hào)探針處應(yīng)力對(duì)比Fig.10 Stress comparison at No.2

3 隔膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)機(jī)械拉伸作用下的仿真進(jìn)行部分優(yōu)化，如圖11所示。

圖11 仿真結(jié)果放大圖Fig.11 An enlarged view of simulation results

將隔膜分為圖中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3個(gè)區(qū)域。當(dāng)隔膜向上拉伸時(shí)，可以認(rèn)為是Ⅰ帶動(dòng)Ⅱ，Ⅱ帶動(dòng)Ⅲ向上移動(dòng)。由于Ⅱ與Ⅲ處的交接點(diǎn)A面積發(fā)生急劇的變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中。而在隔膜上下移動(dòng)的過程中，降低隔膜的最大應(yīng)力與應(yīng)力幅值成為了提高隔膜壽命的關(guān)鍵因素。對(duì)Ⅰ，Ⅱ的端面進(jìn)行優(yōu)化，避免隔膜在向上拉伸時(shí)，由于端面發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生應(yīng)力集中。將區(qū)域Ⅲ的形狀進(jìn)行優(yōu)化，便于提高加工的精度，同時(shí)減小因加工所導(dǎo)致的應(yīng)力集中。優(yōu)化之后如圖12和圖13所示。

從圖12可看出，隔膜的最大應(yīng)力降低至2.0 MPa，說明優(yōu)化效果明顯。

圖12 優(yōu)化之后的隔膜應(yīng)力云圖Fig.12 Diaphragm stress after optimization

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

圖13 優(yōu)化前后應(yīng)力分布Fig.13 Stress comparison before and after optimization

4 結(jié)論

本研究以超純水隔膜閥為研究對(duì)象，結(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

(1) 超純水隔膜閥隔膜受到的應(yīng)力與閥口開度成線性關(guān)系，當(dāng)閥門完全開啟時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)峰值；

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

(3) 超純水隔膜閥在過渡區(qū)和波浪區(qū)存在著明顯的應(yīng)力集中，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化后，應(yīng)力波動(dòng)幅值明顯降低，故超純水隔膜閥的結(jié)構(gòu)還存在較大的優(yōu)化空間。