电容薄膜真空计感压膜片力学特性研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:ZHANGLONGQI008
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二十世纪以来,真空科学与技术得到了迅速发展和广泛的应用。真空度的测量是真空科学与技术的一个重要组成部分,准确测量真空度和控制真空度大小对工业装置运行、科学研究有着极其重要影响,对真空产品质量起到关键性的作用。随着我国航空航天事业的发展,进行深入的空间探测活动对国家的发展进步有着重要的战略意义,这就对空间真空压力的测量提出了新的标准和要求。在当前真空测量技术下,直接测量微小的压力几乎是不可能的,因此,通常采取在气体中造成一定物理现象的办法来间接确定出真实的压力。电容薄膜真空计是唯一一种国际公认可作为低真空测量副标的真空仪器,具有体积小、质量轻、精度高、线性好、响应快等一系列特点,被广泛应用于气象监测、化工生产、军事国防与科研领域,对我国探索宇宙具有重要意义。开展电容薄膜真空计的自主研制,是实现核心真空仪器自主可控的关键环节。本课题针对电容薄膜真空计感压膜片力学特性展开研究,以弹性力学和冯卡门薄板大挠度数学模型作为理论基础,运用ANSYS软件建立电容薄膜真空计感压膜片有限元模型,并对其进行仿真计算。分析了感压膜片材料、结构尺寸和预张力大小对膜片力学特性的影响。主要结论有:(1)感压膜片挠度最大处位于膜片圆心位置,膜片边缘挠度最小;从膜片边缘沿半径方向至膜片圆心,挠度逐渐增大;膜片中心挠度随着均布载荷的增大而增大,且增长幅度逐渐变得缓慢。感压膜片最大应力值位于膜片边缘处,从膜片圆心沿半径方向至膜片边缘,其应力变化规律为先缓慢减小再迅速增大。(2)当结构尺寸和所受载荷相同时,在Inconel X-750、Inconel 600、3J53以及Al2O3陶瓷这四种膜片材料中,Inconel X-750膜片和Inconel 600膜片挠度变化相近,Al2O3陶瓷膜片中心挠度最小。Inconel X-750、Inconel 600和3J53这三种材料的感压膜片最大应力值比较接近,Al2O3陶瓷膜片的应力值要明显高于其他三种材料,并且随着均布载荷的增大,应力的增大速率明显较快。(3)当感压膜片材料和均布载荷相同、膜片直径一定时,随着膜片厚度的增加,其中心挠度逐渐减小,膜片最大应力逐渐减小;膜片厚度一定时,随着感压膜片直径的增大,同一均布载荷下膜片中心挠度逐渐增大,最大应力也逐渐增大。结构尺寸为28 mm-20μm和42 mm-35μm的两种膜片最大应力值比较接近,机械性能基本相同,当均布载荷高于200Pa时,28 mm-20μm膜片的最大挠度约为42mm-35μm膜片的71%。(4)预张力对感压膜片挠度影响十分明显,膜片挠度随着预加张力的增加而下降;随着均布载荷和预加张力的增大,膜片挠度变化率减小、下降幅度减弱;在同一均布载荷下,预张力越大,则其影响比例越大,但随着均布载荷的不断增加、膜片挠度的增大,预张力引起的挠度变化在不断减弱,影响比例逐渐下降。(5)运用ANSYS Workbench软件对电容薄膜真空计感压膜片的力学特性进行有效分析,仿真值与理论计算值基本一致,匹配良好;通过实际产品测试,进一步验证了数值模型的可靠性和该软件应用于电容薄膜真空计感压膜片仿真所获结果的有效性,仿真计算对实际产品的设计具有一定的理论指导和借鉴作用。
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