CN113505473B - 气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法 - Google Patents
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Abstract
气压修正真空膜盒实现压力‑位移特性设计方法，基于轴尖焊接结构的气压修正真空膜盒的弹性敏感元件膜片，弹性敏感元件膜片为以圆弧外波加单个梯形波基础型面的膜片结构，通过膜片压力‑位移特性关系式计算出弹性敏感元件膜片的厚度h；将厚度h与膜片的工作直径D和厚度h的关系曲线图进行对比，确定厚度h是否满足刚度要求；将比值D/h和弹性敏感元件膜片的压力P与D/h的关系破坏曲线进行比对，判断膜片是否满足强度要求；根据配套系统给出的真空膜盒的径向工作空间尺寸，分配膜片梯形平中心顶高H2与支座和轴尖的高度，膜片梯形平中心顶高H2大于单个膜片的位移值W，膜片梯形平中心顶高H2小于膜片平中心最小直径对应的高度值。
Description
技术领域
本发明涉及燃油系统领域，特别涉及气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法。
背景技术
发动机的重要工作系统燃油系统，其工作是否正常，直接影响发动机以及飞行器的可靠性和安全性。燃油调节器作为燃油系统的核心附件，是通往燃烧室的燃油流量直接进行调节的最基本的流量调节器，是实现发动机各种状态供油量进行调节以合理地配合发动机的工作状态的机构。同时也是故障高发区。航空发动机燃油流量调节器在膜盒老化和变计量油孔磨损、堵塞的故障模式下的供油量。由于发动机的供油量仅取决于燃油通道截面积A和计量油针前后的油压差驻P，但同时改变这两个参数控制供油量，调节过程将非常复杂。计算表明：对于燃油流量调节堵塞的影响十分显著。膜盒作为测量压力或压差时，需要的输出参数是位移W。利用经验公式计算膜盒组件中自由端的输出位移为W＝(n1c1+n2c2)(Fp-2+c3n1c1)(24)式中：n1、n2分别为开口膜盒和真空膜盒的个数；c1、c2分别为开口膜盒和真空膜盒的特性系数；c3为经验系数；Fp为膜盒绝对压缩量相关量Fp＝P3f-P22.5n1c1n1c1+n2c2。燃油流量调节器中的膜盒组件在长期使用后容易老化，直接影响薄膜的压缩性，即使膜盒的系数c1、c2变大。膜盒老化后在相同工作环境下，燃油流量调节器的供油量会比正常情况下的偏多。膜盒老化对燃油流量调节器的供油特性影响不大；而变计量油孔的磨损、堵塞则对其特性的影响十分显著。如果燃油流量调节器中的变计量油孔磨损，就会造成其面积增大；如果变计量油孔发生堵塞，则其面积减小。当膜片的两面受到不同的压力或力的作用时，膜片向压力低的一面应变移动，使其中心产生与压力差成一定关系的位移。研制与生产满足特定要求的气压修正真空膜盒是一项复杂的任务。若要求膜盒位移与被测压力呈线性关系，相对较易达到，而在20km～30km高度时，要求位移与所测量的大气高度呈线性关系就不容易了。膜盒位移W与测量大气高度H基本呈线性关系，当P﹣H从760mmHg均匀减小时，其位移急剧增加，呈现强烈的渐增特性，使这种膜盒的试制十分困难。由于波纹膜片参数很多，又相互制约，所以使得它的设计很复杂，波纹膜片的参数主要指两方面，一是膜片参数，二是型面参数，膜片参数主要有膜片材料，膜片厚度和膜片工作直径等，型面参数是指与膜片波纹形状有关的参数，主要有波纹深度、波纹形状、边缘波纹、型面锥度、波纹倾角、波距等，波纹膜片型面有时为了调节膜片的特性，将膜片的型面做成一定的锥度或者球面度。在设计高度表的真空膜盒时，经常利用型面锥度来提高在真空时膜盒的灵敏度。锥型和球型膜片参数很多，特别是大挠度非线性微分方程组，在数学上求解极其困难，以往的理论计算可以分为两类：一类是采用壳体或者扁壳的大挠度，或者小挠度方程来求解。另一类是将波纹壳或者波纹圆板看成是结构上的正交各向异性壳或者正交各向异性圆平板，采用正交各向异性壳或者正交各向异性圆平板的大挠度或者小挠度)方程来进行研究。对于波纹圆板，它得到的特征缺少中心挠度的偶次项，因而不能反映载荷反向时波纹壳(圆板)不同的刚度特征,而当波纹数较少及挠度较大时，这种差别可以是显著的，不能用于研究波纹壳(圆板)的应力分布和局部失稳现象，只能解决分段均匀的波纹壳(圆板)问题，即每个波的波纹深度、波纹形状必须一致，而不能解决带有边缘波纹、波纹深浅不同的波纹壳问题。由于壳体大挠度方程本身的非线性和复杂性，增加了求解难度。
用于飞行器发动机燃油流量调节器的气压修正真空膜盒，满足真空膜盒压力-位移W的特性要求并实现其控制功能，现行技术中真空膜盒使用铍青铜作为弹性敏感元件的材料，真空膜盒的采用两个具有相同单独真空内腔的单膜盒电点焊连接的膜盒结构，单膜盒的上、下膜片型面采用相同的圆弧外波加单个梯形波和梯形平中心凸台型面结构形式。由于使用的气压修正真空膜盒要求具有确定的压力-位移W特性和确定的结构尺寸，真空膜盒的设计，在上、下膜片具有相同的内外径尺寸、厚度、型面结构参数条件下，需要借鉴相近压力-位移W特性和结构尺寸的其它膜盒膜片的型面参数、厚度，采取经验公式比对和做出真空膜盒后的试验结果，修正上、下膜片设计的型面参数、厚度甚至型面结构，该方法难以在满足真空膜盒要求的压力-位移W特性的同时，又满足真空膜盒结构外形确定的高度尺寸。为此，现行技术需要将气压修正器真空膜盒上、下膜片设计成相同的圆弧外波加单个梯形波和梯形平中心凸台型面结构形式，不同的膜片厚度和膜片型面结构参数，通过先加工出成真空膜盒实物测试压力-位移W特性和真空膜盒高度，根据真空膜盒测试性能和真空膜盒高度与设计要求的差异，调整上下膜片不同的厚度、型面结构参数。经过反复的试验、调整、匹配上下膜片的厚度、型面结构参数，最终获得真空膜盒要求的压力-位移W特性和真空膜盒外形结构要求的高度尺寸。这种通过后期反复试验、调整匹配不同上下膜片的厚度、型面结构参数，获得真空膜盒要求的性能方法，增加了真空膜盒压力-位移W特性性能设计的难度，并存在真空膜盒经过后期试验、调整能否实现要求的压力-位移W特性不确定的风险，同时延长增加了产品开发研制周期。
发明内容
本发明的目的在于：提供了气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，通过理论计算设计气压修正真空膜盒压力P-位移W特性和弹性敏感元件膜片型面参数，解决了真空膜盒设计缺少理论计算方法，特别是减小气压修正真空膜盒实现压力P-位移W特性不确定的风险。
本发明采用的技术方案如下：
气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，基于轴尖焊接结构的气压修正真空膜盒的弹性敏感元件膜片，所述弹性敏感元件膜片为以圆弧外波加单个梯形波基础型面的膜片结构，包括以下步骤：
步骤S1：通过圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片压力-位移W特性关系式计算出弹性敏感元件膜片的厚度h，所述膜片压力-位移W特性关系式为：
其中，E是弹性敏感元件膜片的弹性模量，μ是弹性敏感元件膜片的泊松比，P为真空膜盒的压力，W为单个弹性敏感元件膜片的位移值，D为弹性敏感元件膜片的工作直径，K1为66，K2为0.0142；
步骤S2：将计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h与弹性敏感元件膜片的工作直径D，和圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片的工作直径D和厚度h的关系曲线图进行对比，若位于关系曲线图允许的最小厚度之上，则计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h满足膜片型面刚度要求；
步骤S3：将弹性敏感元件膜片的工作直径D和计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h的比值D/h，与要求的气压修正真空膜盒的工作压力P，和圆弧外波加单个梯形波型面真空膜盒的弹性敏感元件膜片的压力P与D/h的关系破坏曲线进行比对，若未落入关系破坏曲线的破坏区内，则设计的圆弧外波加单个梯形波型面膜片满足膜片强度要求；
步骤S4：由计算出的膜片厚度h和膜片型面参数，根据配套系统给出的真空膜盒的径向工作空间尺寸，分配设计膜片梯形平中心顶高H2与支座和轴尖的高度，膜片梯形平中心顶高H2大于单个弹性敏感元件膜片的位移值W，膜片梯形平中心顶高H2小于膜片平中心最小直径对应的高度值。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述确定弹性敏感元件膜片型面的其余参数为：弹性敏感元件膜片圆弧外波纹R＝0.0593D，；膜片圆弧外波纹高度＝0.0625D；膜片相对波深＝0.0254D；膜片梯形波内跟部直径＝0.755D；膜片梯形波内跟部直径＝0.5125D；膜片梯形波顶宽＝0.0217D；膜片梯形波槽底宽＝0.0217D；膜片梯形波夹角＝20°。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述膜片圆弧外波纹高度包括膜片厚度。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述单个弹性敏感元件膜片的位移值W为真空膜盒位移值的四分之一。
为了更好地实现本方案，进一步地，计算出的膜片厚度h不满足步骤S2的膜片型面刚度要求或不满足步骤S3的膜片强度要求时，重新计算选定膜片厚度h。
本方案基于具有轴尖焊接结构的圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片的气压修正真空膜盒，轴尖焊接结构气压修正真空膜盒的弹性敏感元件膜片，采用以圆弧外波加单个梯形波基础型面的膜片结构形式，依据配套产品系统给出的安装真空膜盒的径向工作空间尺寸，确定真空膜盒的外径尺寸。
现行气压修正真空膜盒膜片采用圆弧外波加单个梯形波和梯形平中心型面结构，设计真空膜盒要求的压力P-位移W特性，缺少能精确计算的理论方法，能否获得真空膜盒要求的压力P-位移W特性存在较大的不确定性。工程上，常采用一种称为E型型面的膜片，膜片E型型面由圆弧外波加两个梯形波和梯形凸台平中心构成，它具有：线性特性好，有效面积变化小，工艺性好等优点，广泛用于膜盒的压力测量，特别是E型膜片的压力P-位移W特性，可通过理论公式进行计算。气压修正真空膜盒要求具有大的压力P-位移W特性和推力稳定性，由于E型型面结构中，膜片梯形凸台平中心高度低、直径小，相邻两单真空膜盒的膜片型面互相接触，真空膜盒的位移受到干涉，同时，两连接膜片平中心支撑面积小，真空膜盒提供的推力稳定性差，E型型面膜片不能直接应用于气压修正真空膜盒。本发明气压修正真空膜盒上、下膜片采用相同圆弧外波加单个梯形波基本型面部分，与E型型面膜片的圆弧外波加外侧单个梯形波型面部分完全相同，膜片型面中圆弧外波是真空膜盒实现压力P-位移W特性高的灵敏度和线性度的前提，膜片型面中单个梯形波保证真空膜盒压力P-位移W特性输出的稳定性，使气压修正真空膜盒具备压力P-位移W特性理论计算的条件。气压修正真空膜盒膜片型面较E型膜片型面，减少了膜片型面内侧第二单个梯形波，减少的膜片型面内侧单个梯形波面积，用于增加气压修正真空膜盒上膜片型面中心内圆竖壁焊接的硬心面积和下膜片型面梯形凸台平中心面积，满足气压修正真空膜盒获得压力P-位移W特性同时具有较大并且稳定的推力输出。气压修正真空膜盒下膜片型面梯形平中心顶高H2(含膜片厚度)，在0.0254D加单膜片最大压力位移值至不小于0.338D范围选择对应高度值，保证气压修正真空膜盒的压力P-位移W特性在要求的工作压力范围无型面干涉影响。圆弧外波加单个梯形波基础膜片型面的气压修正真空膜盒具备E型型面的膜片膜盒相同的压力P-位移W特性理论计算能力，实现了采用理论方法设计计算真空膜盒要求的压力P-位移W特性，真空膜盒的压力P-位移W特性设计的风险可控。
现行气压修正真空膜盒的的压力P-位移W特性设计主要依靠经验，借鉴工作直径相近，型面相似，具有相同或相近压力P-位移W特性的其它膜盒型面参数进行设计，加工成真空膜盒进行性能测试，调整膜片的厚度、型面结构参数，反复试验、调整获得真空膜盒要求的压力P-位移W特性，由于借鉴的其它膜盒型面结构与圆弧外波加单个梯形波型面结构不完全相同，真空膜盒实际获得的压力P-位移W特性与要求值存在较大差异。现行设计将真空膜盒相同的圆弧外波加单个梯形波和梯形平中心膜片型面，拆分设计为上、下膜片采用不同的厚度、型面结构参数，通过先加工成真空膜盒测试性能，再根据真空膜盒测试性能和设计要求性能差异，按上述步骤重新计算、调整上、下膜片的厚度、型面参数，通过反复的试验调整获得真空膜盒要求的压力P-位移W特性。该方法设计计算难度大、试验调整周期长，实际获得的气压修正真空膜盒压力P-位移W特性与要求值存在较大差异。本发明气压修正真空膜盒上、下膜片采用单一的圆弧外波加单个梯形波基本膜片型面，上膜片型面中心内圆竖壁焊接硬心和下膜片型面梯形凸台平中心的刚性结构，对真空膜盒压力P-位移W特性中线性度影响小，与现有真空膜盒的弹性敏感元件上、下膜片以采用不同的厚度和型面参数比较，简化了真空膜盒实现要求的压力P-位移W特性设计需要控制的环节。真空膜盒的压力P-位移W特性要求，直接通过上、下膜片相同圆弧外波加单个梯形波基础型面压力P-位移W特性关系式进行设计计算，降低了膜片理论设计计算的难度，缩短现行气压修正真空膜盒获得压力P-位移W特性需要反复的试验和调整的研制周期。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明所述的气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，通过理论计算设计气压修正真空膜盒压力P-位移W特性和弹性敏感元件膜片型面参数，解决了真空膜盒设计缺少理论计算方法，特别是减小气压修正真空膜盒实现压力P-位移W特性不确定的风险；
2.本发明所述的气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，通过理论计算设计气压修正真空膜盒压力P-位移W特性和弹性敏感元件膜片型面参数，解决了真空膜盒设计缺少理论计算方法，使得真空膜盒的压力P-位移W特性设计的风险可控；
3.本发明所述的气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，通过理论计算设计气压修正真空膜盒压力P-位移W特性和弹性敏感元件膜片型面参数，直接通过上、下膜片相同圆弧外波加单个梯形波基础型面压力P-位移W特性关系式进行设计计算，降低了膜片理论设计计算的难度，缩短现行气压修正真空膜盒获得压力P-位移W特性需要反复的试验和调整的研制周期。
附图说明
为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明的圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片气压修正真空膜盒结构剖视图；
图2是图1的真空膜盒气压修正真空膜盒实现压力P-位移W特性的原理示意图；
图3是图1的真空膜盒上膜片构造及型面参数关系图；
图4是图1的真空膜盒下膜片构造及型面参数关系图；
图5是圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片P与D/h的关系破坏区图；
图6是圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片D与h的关系曲线图；
图中，1-轴尖，2-凸台通孔，3-支座，4-上膜片，5-下膜片，6-圆片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图6对本发明作详细说明。
实施例1：
气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，基于如图1所示的轴尖焊接结构的气压修正真空膜盒的弹性敏感元件膜片，所述弹性敏感元件膜片为以圆弧外波加单个梯形波基础型面的膜片结构，包括以下步骤：
步骤S1：如图2所示，通过圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片压力-位移W特性关系式计算出弹性敏感元件膜片的厚度h，所述膜片压力-位移W特性关系式为：
其中，E是弹性敏感元件膜片的弹性模量，μ是弹性敏感元件膜片的泊松比，P为真空膜盒的压力，W为单个弹性敏感元件膜片的位移值，D为弹性敏感元件膜片的工作直径，K1为66，K2为0.0142；
步骤S2：将计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h与弹性敏感元件膜片的工作直径D，和如图6所示的圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片的工作直径D和厚度h的关系曲线图进行对比，若位于关系曲线图允许的最小厚度之上，则计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h满足膜片型面刚度要求；
步骤S3：将弹性敏感元件膜片的工作直径D和计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h的比值D/h，与要求的气压修正真空膜盒的工作压力P，和如图5所示的圆弧外波加单个梯形波型面真空膜盒的弹性敏感元件膜片的压力P与D/h的关系破坏曲线进行比对，若未落入关系破坏曲线的破坏区内，则设计的圆弧外波加单个梯形波型面膜片满足膜片强度要求；
步骤S4：由计算出的膜片厚度h和膜片型面参数，根据配套系统给出的真空膜盒的径向工作空间尺寸，分配设计膜片梯形平中心顶高H2与支座和轴尖的高度，膜片梯形平中心顶高H2大于单个弹性敏感元件膜片的位移值W，膜片梯形平中心顶高H2小于膜片平中心最小直径对应的高度值。
工作原理：如图2所示，真空膜盒内腔压力P1，感受环境高度改变带来的压力P2变化与内腔压力P1产生压差△P，真空膜盒膜片产生弹性变形，膜片位移改变，膜片位移增量△W增大或减小。通过支座3带动其上的轴尖1的位移增量△W增大或减小。
气压修正器真空膜盒结构包括：如图3和图4所示的固联的两个上下结构对称单个真空膜盒。单膜盒通过具有一道圆弧波纹和一道梯形同心圆波纹基础型面的上膜片4和下膜片5圆周外边沿平面电缝焊连接，上膜片4和下膜片5构成单个真空膜盒内腔，通过位于两下膜片5梯形凸起高于外波纹高度的平面中心内两圆片，沿圆周边缘距离1mm对称均匀电点焊6～8点，焊点直径或中心平面圆周电缝滚焊连接。上膜片4中心圆周翻边端面与刚性的中心支座3圆周立面由电子束焊连接，通过支座3中心凸台/>通孔2抽真空后，电子束焊封焊支座3中心凸台/>通孔2，获得单膜盒密封真空内腔。支座3上平面外圆周端面与轴尖1下平面外圆周端面电子束焊焊连接后，成为气压修正真空膜盒。
真空膜盒的直径与它的膜片厚度有一定的关系。如膜片太薄，在膜盒抽真空后可能产生膜片型面塑形变形和压力P-位移W特性改变，严重者造成膜片失稳被大气压力压扁。现行膜片设计确定膜片厚度h后，膜片工作直径D范围的型面是否满足型面刚度要求，需要加工出真空膜盒后进行试验验证，不能满足要求，重新设计后再试验，膜片厚度h设计存在不确定性和研制周期长。通过圆弧外波加单个梯形波型面膜片D与h的关系曲线图5比对，确认设计的膜片厚度h，是否满足圆弧外波加单个梯形波型面膜片D与h的关系曲线图5中允许膜片最小厚度的要求，可以提前在设计阶段预防膜片厚度h设计的风险，缩短研制期。
这里我们还进一步给出一个可选的实验数据：例如某飞行器发动机气压修正器要求气压修正真空膜盒：用于高空环境的气体介质温度：-55℃～+210℃。感受均布载荷，在绝对压力20.3KPa～273KPa范围时的位移值应为：2.5mm±0.3mm，真空膜盒外径：Ф37.4mm，真空膜盒高度：24.4mm。采用以圆弧外波加单个梯形波型面膜片的轴尖焊接结构气压修正真空膜盒，通过理论计算设计气压修正真空膜盒的压力P-位移W特性。
气压修正真空膜盒满足要求环境、介质温度-55℃～+210℃范围具有良好弹性性能，膜片材料选择3J1，材料弹性模量E：E＝1.95×105MPa，μ材料的泊松比μ：μ＝0.25。
真空膜盒感受的均布载荷的测量范围压力P：P＝0.273-0.0203＝0.2527MPa，位移：W＝2.5mm±0.3mm，满足真空膜盒要求的压力P-位移W特性和精度，膜片选择采用以圆弧外波加单个梯形波的基础型面结构形式。
真空膜盒圆外径：Ф37.4mm。由弧外波加单个梯形波基础型面上、下膜片基础型面参数关系图3、图4，膜片外径等于1.15～1.2倍膜片工作直径D，满足真空膜盒获取最大有效面积同样位移输出具有最大推力，倍数取1.15，工作直径D：D＝Ф32.52，圆整后工作直径D取值：Ф32.6。
由弧外波加单个梯形波基础型面上、下膜片基础型面参数关系图3、图4，确定膜片型面其余参数：
膜片圆弧外波纹R：R＝0.0593D，R＝1.93mm；
膜片圆弧外波纹高度(含膜片厚度)0.0625D，取值：2.04mm；
膜片相对波深0.0254D，取值：0.83mm；
膜片梯形波内跟部直径0.755D，取值：Ф24.61mm；
膜片梯形波内跟部直径0.5125D，取值：Ф16.7mm；
膜片梯形波顶宽0.0217D，取值：0.71mm；
膜片梯形波槽底宽0.0217D，取值：0.71mm；
膜片梯形波夹角：120°；
膜片梯形平中心顶高H2(含膜片厚度)，在大于膜片圆弧外波纹高度加单膜片位移值，小于膜片平中心最小直径0.338D对应高度值范围内选取。由以上设计计算的膜片型面膜片圆弧外波纹高度和膜片型面参数，可设计真空膜盒支座和轴尖高度尺寸，根据已知真空膜盒高度：24.4mm，可安置两个单独内腔的真空膜盒，膜片梯形平中心顶高H2(含膜片厚度)：3.26mm。
单个膜片位移W：W＝2.5÷4＝0.625mm；
将已知真空膜盒的压力P：0.2527MPa，单个膜片位移W：0.625mm，代入圆弧外波加单个梯形波型面膜片压力P-位移W特性关系式：
计算出膜片厚度h：h＝0.135mm
将计算出的膜片厚度h：0.135mm，与膜片工作直径D：Ф32.6mm，通过圆弧外波加单个梯形波型面膜片D与h的关系曲线图5，确认计算出的膜片厚度h：0.135mm，位于膜片D与h的关系曲线允许最小厚度之上，满足膜片型面刚度的要求。
圆弧外波加单个梯形波型面真空膜盒膜片工作直径D：Ф32.6mm，和计算出的膜片厚度h：0.135mm的比值D/h：241.48，与要求的气压修正真空膜盒工作压力20.3KPa～273KPa的关系，通过圆弧外波加单个梯形波型面真空膜盒P与D/h的关系破坏区图6比对，未落入P与D/h的关系曲线破坏区内，设计的圆弧外波加单个梯形波型面膜片满足膜片强度要求。
实施例2：
本方案在实施例1的基础上，如图3、图4所示，所述确定弹性敏感元件膜片型面的其余参数为：弹性敏感元件膜片圆弧外波纹R＝0.0593D，；膜片圆弧外波纹高度＝0.0625D；膜片相对波深＝0.0254D；膜片梯形波内跟部直径＝0.755D；膜片梯形波内跟部直径＝0.5125D；膜片梯形波顶宽＝0.0217D；膜片梯形波槽底宽＝0.0217D；膜片梯形波夹角＝20°。
所述膜片圆弧外波纹高度包括膜片厚度。
所述单个弹性敏感元件膜片的位移值W为真空膜盒位移值的四分之一。
计算出的膜片厚度h不满足步骤S2的膜片型面刚度要求或不满足步骤S3的膜片强度要求时，重新计算选定膜片厚度h。
工作原理：本方案基于具有轴尖焊接结构的圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片的气压修正真空膜盒，轴尖焊接结构气压修正真空膜盒的弹性敏感元件膜片，采用以圆弧外波加单个梯形波基础型面的膜片结构形式，依据配套产品系统给出的安装真空膜盒的径向工作空间尺寸，确定真空膜盒的外径尺寸。
现行气压修正真空膜盒膜片采用圆弧外波加单个梯形波和梯形平中心型面结构，设计真空膜盒要求的压力P-位移W特性，缺少能精确计算的理论方法，能否获得真空膜盒要求的压力P-位移W特性存在较大的不确定性。工程上，常采用一种称为E型型面的膜片，膜片E型型面由圆弧外波加两个梯形波和梯形凸台平中心构成，它具有：线性特性好，有效面积变化小，工艺性好等优点，广泛用于膜盒的压力测量，特别是E型膜片的压力P-位移W特性，可通过理论公式进行计算。气压修正真空膜盒要求具有大的压力P-位移W特性和推力稳定性，由于E型型面结构中，膜片梯形凸台平中心高度低、直径小，相邻两单真空膜盒的膜片型面互相接触，真空膜盒的位移受到干涉，同时，两连接膜片平中心支撑面积小，真空膜盒提供的推力稳定性差，E型型面膜片不能直接应用于气压修正真空膜盒。本发明气压修正真空膜盒上、下膜片采用相同圆弧外波加单个梯形波基本型面部分，与E型型面膜片的圆弧外波加外侧单个梯形波型面部分完全相同，膜片型面中圆弧外波是真空膜盒实现压力P-位移W特性高的灵敏度和线性度的前提，膜片型面中单个梯形波保证真空膜盒压力P-位移W特性输出的稳定性，使气压修正真空膜盒具备压力P-位移W特性理论计算的条件。气压修正真空膜盒膜片型面较E型膜片型面，减少了膜片型面内侧第二单个梯形波，减少的膜片型面内侧单个梯形波面积，用于增加气压修正真空膜盒上膜片型面中心内圆竖壁焊接的硬心面积和下膜片型面梯形凸台平中心面积，满足气压修正真空膜盒获得压力P-位移W特性同时具有较大并且稳定的推力输出。气压修正真空膜盒下膜片型面梯形平中心顶高H2(含膜片厚度)，在0.0254D加单膜片最大压力位移值至不小于0.338D范围选择对应高度值，保证气压修正真空膜盒的压力P-位移W特性在要求的工作压力范围无型面干涉影响。圆弧外波加单个梯形波基础膜片型面的气压修正真空膜盒具备E型型面的膜片膜盒相同的压力P-位移W特性理论计算能力，实现了采用理论方法设计计算真空膜盒要求的压力P-位移W特性，真空膜盒的压力P-位移W特性设计的风险可控。
现行气压修正真空膜盒的的压力P-位移W特性设计主要依靠经验，借鉴工作直径相近，型面相似，具有相同或相近压力P-位移W特性的其它膜盒型面参数进行设计，加工成真空膜盒进行性能测试，调整膜片的厚度、型面结构参数，反复试验、调整获得真空膜盒要求的压力P-位移W特性，由于借鉴的其它膜盒型面结构与圆弧外波加单个梯形波型面结构不完全相同，真空膜盒实际获得的压力P-位移W特性与要求值存在较大差异。现行设计将真空膜盒相同的圆弧外波加单个梯形波和梯形平中心膜片型面，拆分设计为上、下膜片采用不同的厚度、型面结构参数，通过先加工成真空膜盒测试性能，再根据真空膜盒测试性能和设计要求性能差异，按上述步骤重新计算、调整上、下膜片的厚度、型面参数，通过反复的试验调整获得真空膜盒要求的压力P-位移W特性。该方法设计计算难度大、试验调整周期长，实际获得的气压修正真空膜盒压力P-位移W特性与要求值存在较大差异。本发明气压修正真空膜盒上、下膜片采用单一的圆弧外波加单个梯形波基本膜片型面，上膜片型面中心内圆竖壁焊接硬心和下膜片型面梯形凸台平中心的刚性结构，对真空膜盒压力P-位移W特性中线性度影响小，与现有真空膜盒的弹性敏感元件上、下膜片以采用不同的厚度和型面参数比较，简化了真空膜盒实现要求的压力P-位移W特性设计需要控制的环节。真空膜盒的压力P-位移W特性要求，直接通过上、下膜片相同圆弧外波加单个梯形波基础型面压力P-位移W特性关系式进行设计计算，降低了膜片理论设计计算的难度，缩短现行气压修正真空膜盒获得压力P-位移W特性需要反复的试验和调整的研制周期。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，基于轴尖焊接结构的气压修正真空膜盒的弹性敏感元件膜片，所述弹性敏感元件膜片为以圆弧外波加单个梯形波基础型面的膜片结构，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片压力-位移W特性关系式计算出弹性敏感元件膜片的厚度h，所述膜片压力-位移W特性关系式为：
其中，E是弹性敏感元件膜片的弹性模量，μ是弹性敏感元件膜片的泊松比，P为真空膜盒的压力，W为单个弹性敏感元件膜片的位移值，D为弹性敏感元件膜片的工作直径，K1为66，K2为0.0142；
步骤S2：将计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h与弹性敏感元件膜片的工作直径D，和圆弧外波加单个梯形波基础型面膜片的工作直径D和厚度h的关系曲线图进行对比，若位于关系曲线图允许的最小厚度之上，则计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h满足膜片型面刚度要求；
步骤S3：将弹性敏感元件膜片的工作直径D和计算出的弹性敏感元件膜片的厚度h的比值D/h，与要求的气压修正真空膜盒的工作压力P，和圆弧外波加单个梯形波型面真空膜盒的弹性敏感元件膜片的压力P与D/h的关系破坏曲线进行比对，若未落入关系破坏曲线的破坏区内，则设计的圆弧外波加单个梯形波型面膜片满足膜片强度要求；
步骤S4：由计算出的膜片厚度h和膜片型面参数，根据配套系统给出的真空膜盒的径向工作空间尺寸，分配设计膜片梯形平中心顶高H2与支座和轴尖的高度，膜片梯形平中心顶高H2大于单个弹性敏感元件膜片的位移值W，膜片梯形平中心顶高H2小于膜片平中心最小直径对应的高度值。
2.根据权利要求1所述的气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，其特征在于，确定弹性敏感元件膜片型面的其余参数为：弹性敏感元件膜片圆弧外波纹R＝0.0593D；膜片圆弧外波纹高度＝0.0625D；膜片相对波深＝0.0254D；膜片梯形波内跟部直径＝0.755D；膜片梯形波内跟部直径＝0.5125D；膜片梯形波顶宽＝0.0217D；膜片梯形波槽底宽＝0.0217D；膜片梯形波夹角＝20°。
3.根据权利要求1所述的气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，其特征在于：所述膜片圆弧外波纹高度包括膜片厚度。
4.根据权利要求1所述的气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，其特征在于：所述单个弹性敏感元件膜片的位移值W为真空膜盒位移值的四分之一。
5.根据权利要求1所述的气压修正真空膜盒实现压力-位移特性设计方法，其特征在于：计算出的膜片厚度h不满足步骤S2的膜片型面刚度要求或不满足步骤S3的膜片强度要求时，重新计算选定膜片厚度h。
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