基于有限元法的减压阀金属膜片性能分析与参数研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.01.007

摘要/Abstract

摘要：

金属膜片作为一种关键功能材料，广泛应用于航空航天、微电子、化工等领域。在膜片式减压阀中，膜片作为核心敏感元件，其力学性能直接影响阀门的压力调节精度、稳定性和使用寿命。系统研究了膜片的关键几何参数及材料属性对其在典型工况下力学性能的影响规律。建立膜片的数学模型，分析了膜片在平衡位置的受力情况，施加载荷和约束条件，利用波纹膜片大挠度变形理论验证了载荷与挠度的关系；采用SolidWorks软件建立膜片的精确三维参数化模型，并通过有限元分析法对膜片的性能进行了研究；利用ANSYS软件，对膜片的几何结构、参数（宽度、高度、厚度）和材料属性进行了静态结构仿真分析。结果表明，圆弧大波纹的几何结构优于正弦波纹；增大外圈波纹宽度，膜片的变形量和应力应变随之增加，灵敏度更优；增大波纹高度，膜片的弹性特性呈先减后增的趋势；膜片的厚度越小，其弹性特性越好；高弹性模量的材料会使膜片的变形减小，应力增大。研究结果可为膜片式减压阀金属膜片的结构优化设计和高性能材料选型提供重要的理论依据和设计指导。

关键词: 减压阀, 圆弧大波纹膜片, 有限元分析, 大挠度变形理论

Abstract:

Metal diaphragms serve as key functional materials widely used in aerospace, microelectronics, chemical engineering, and other fields. As the core sensitive element in diaphragm pressure?reducing valves, their mechanical properties directly determine the valve's pressure regulating precision, stability, and service life. This paper systematically investigates the influence of key geometric parameters of the diaphragm and material properties on its mechanical performance under typical operating conditions. A mathematical model was established to analyze force distribution at the equilibrium position, where loads and constraints were applied, followed by the application of loads and constraints were applied, and the relationship between load and deflection was verified using the large deflection theory of corrugated diaphragms. A precise 3D parametric model of the diaphragm was built using SolidWorks software. The study employed the Finite Element Analysis (FEA) method, utilizing ANSYS software to conduct static structural simulation analysis on the diaphragm's geometric structure, parameters (width, height, thickness), and material properties. The results show that: the geometric structure of large arc corrugations is superior to sinusoidal corrugations; increasing the width of the outer corrugations increases the deformation, stress, and strain of the diaphragm, thus enhancing its sensitivity; increasing the corrugation height causes the diaphragm's elastic characteristics to first decrease and then increase; smaller diaphragm thickness results in better elastic characteristics; the elastic modulus of the diaphragm material is the dominant factor affecting its stiffness and deformation response?higher elastic modulus reduces deformation but increases stress, while materials with lower elastic modulus exhibit the opposite effect. Material selection requires balancing sensitivity, strength, and service life requirements. This research reveals the influence of the diaphragm's geometric structure, parameters, and material properties on its mechanical performance, providing an important theoretical basis and design guidance for the structural optimization design and high?performance material selection of diaphragms in diaphragm pressure?reducing valves.

Key words: Pressure?reducing valve, Large arc corrugated diaphragm, Finite element analysis, Large deflection deformation theory

中图分类号:

TH45

杨清艳, 陆文韬. 基于有限元法的减压阀金属膜片性能分析与参数研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2026, 46(1): 54-63.

Qingyan YANG, Wentao LU. Performance Analysis and Parametric Study of a Pressure⁃Reducing Valve's Metal Diaphragm Using the Finite Element Method[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2026, 46(1): 54-63.

图/表 12

图1 膜片式减压阀的基本结构

Fig.1 Basic structure of diaphragm?type pressure reducing valve

图2 减压阀膜片的受力图

Fig.2 Force diagram of the pressure relief valve diaphragm

图3 基于SolidWorks软件的实体模型及网格划分（a）实体模型（b）网格划分

Fig.3 Solid model and mesh generation based on SolidWorks software

图4 网格无关性验证结果

Fig.4 Mesh independence study

表1 不同波纹形状膜片的特性

Table 1 Characteristics of diaphragms with different corrugation shapes

波纹形状	灵敏度	疲劳寿命	应力集中度	变形程度	滞后度
正弦形	中等	长	低	中等	低
梯形	低	中等	高	中等	中等
三角形	高	短	最高	中等	较高
圆弧大波纹形	最高	长	低	非常大	低

图5 圆弧大波纹形及正弦形膜片在不同压力下的变形量

Fig.5 Deformation of large?arc and sinusoidal corrugated diaphragms under different pressures

图6 波纹宽度比对膜片力学性能的影响（a）变形量（b）等效应变（c）等效应力

Fig.6 Effect of corrugation width ratio on mechanical properties of the diaphragm

图7 波纹高度对膜片力学性能的影响（a）变形量（b）等效应变（c）等效应力

Fig.7 Effect of corrugation height on mechanical properties of the diaphragm

图8 膜片厚度对膜片力学性能的影响（a）变形量（b）等效应变（c）等效应力

Fig.8 Effect of diaphragm thickness on its mechanical properties

表2 4种材料的属性

Table 2 Properties of four materials

材料	弹性模量/GPa	泊松比	密度/（g·cm^－³）	屈服强度/MPa
Hastelloy C⁃22	206	0.30	8.69	1 393
17⁃7PH	200	0.30	7.65	1 310
铍青铜	134	0.32	8.30	1 030
Ti⁃6Al⁃4V	113	0.33	4.43	620

图9 不同材料的力学性能云图

Fig.9 Contour plots of mechanical properties for different materials

图10 不同材料的力学性能对比（a）变形量（b）等效应变（c）等效应力

Fig.10 Comparative analysis of mechanical properties for different materials

参考文献 28

[1]	孙维福，刘仁豪，孟令宇，等. 35 MPa氢气减压阀内部流动特性仿真研究［J］. 机床与液压， 2025， 53（5）： 145⁃151.
	SUN W F， LIU R H， MENG L Y， et al. Internal flow characteristics simulation study of 35 MPa hydrogen regulator［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2025， 53（5）： 145⁃151.
[2]	李建国，周铭杰，郑科辉. 高压减压阀故障问题分析［J］. 液压与气动， 2012（12）： 116⁃118.
	LI J G， ZHOU M J， ZHENG K H. Fault analysis for high pressure regulator［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2012（12）： 116⁃118.
[3]	王彬，高宏彬，何诗梦. 气动薄膜执行机构膜片设计选用及其常见失效形式探讨［J］.化学工程与装备，2020（6）：187⁃188.
	WANG B， GAO H B， HE S M. Design and selection of diaphragm for pneumatic thin film actuators and discussion on common failure modes［J］. Chemical Engineering & Equipment， 2020（6）： 187⁃188.
[4]	赵奇峰，朱玉荣，谭书舜，等. 二级轻气炮金属膜片破膜压力测量实验［J］. 现代应用物理， 2024， 15（5）： 128⁃133.
	ZHAO Q F， ZHU Y R， TAN S S， et al. Experiment of measuring rupture pressure of metal diaphragm of two⁃stage light gas gun［J］. Modern Applie Physics， 2024， 15（5）： 128⁃133.
[5]	王世元，岳宝增. 充液航天器等效模型参数在轨辨识研究［J］. 力学学报， 2025， 57（6）： 1457⁃1468.
	WANG S Y， YUE B Z. On⁃orbit identification study of equivalent model parameters of liquid⁃filled spacecraft［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2025， 57（6）： 1457⁃1468.
[6]	龙李威，杜贵祥，廖云庭，等. 隔膜压缩机膜片PIP处理改性研究［J］. 金属热处理， 2022， 47（7）： 272⁃276.
	LONG L W， DU G X， LIAO Y T， et al. PIP treatment modification of diaphragm compressor［J］. Heat Treatment of Metals， 2022， 47（7）： 272⁃276.
[7]	陈文曲，李路路，陈健. 一种金属膜片式气体减压阀研制［J］. 火箭推进， 2011， 37（6）： 30⁃33.
	CHEN W Q， LI L L， CHEN J. Development of pneumatic pressure regulator with metal diaphragm［J］. Journal of Rocket Propulsion， 2011， 37（6）： 30⁃33.
[8]	童成彪，周志雄. 智能减压阀压力相关性研究和膜片尺寸优化［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2017， 44（8）： 57⁃62.
	TONG C B， ZHOU Z X. Research on pressure correlation and size optimization ofIntelligent pressure reducing valve［J］. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2017， 44（8）： 57⁃62.
[9]	ANDRIANOV I V， DISKOVSKY A A， SYERKO E. Optimal design of a circular corrugated diaphragm using the homogenization approach［J］. Mathematics and Mechanics of Solids， 2017， 22（3）： 283⁃303.
[10]	GAO A G， XING L F， ZHENG X G， et al. Analytical and experimental study on the axial stiffness of multiple corrugated diaphragm coupling based on the corrugated circular plate theory［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2021， 235（22）： 6611⁃6620.
[11]	LIU Z Y， ZENG L N， XU K， et al. Design of a fiber bragg grating pressure sensor based on a metal diaphragm and lever structure［J］. Sensors， 2022， 22（14）： 5096.
[12]	苏小云，王鹏，陈钢. 隔膜压缩机膜片疲劳性能研究［J］. 热力透平， 2025， 54（2）： 91⁃96.
	SU X Y， WANG P， CHEN G. Research on diaphragm fatigue performance in diaphragm compressors［J］. Thermal Turbine， 2025， 54（2）： 91⁃96.
[13]	尤裕荣，曾维亮. 气体减压阀的稳定性分析［J］. 火箭推进， 2009， 35（5）： 34⁃38.
	YOU Y R， ZENG W L. Analysis on pneumatic pressure reducing valve stability［J］. Journal of Rocket Propulsion， 2009， 35（5）： 34⁃38.
[14]	葛友明，肖体兵，洪永，等. 带有限压保护作用的减压阀建模与仿真分析［J］. 液压与气动， 2015（1）： 35⁃38.
	GE Y M， XIAO T B， HONG Y， et al. Modeling and simulation analysis of the pressure reducing valve with pressure limited protective effect［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2015（1）： 35⁃38.
[15]	郭珣，樊蕾. 气体减压阀动静压差研究［J］. 液压与气动， 2019（5）： 87⁃91.
	GUO X， FAN L. Static and dynamic pressure difference of gas pressure reducing valve［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2019（5）： 87⁃91.
[16]	张谦，刘紫阳，许雨寒，等. 外混式喷头雾化降温特性分析［J/OL］. 工程科学与技术： 1⁃13 （2025⁃05⁃26）［2025⁃08⁃06］. https：//link.cnki.net/urlid/51.1773.TB.20250526.0925.001.
	ZHANG Q， LIU Z Y， XU Y H， et al. Analysis of atomization cooling characteristics of external mixing nozzles［J/OL］. Advanced Engineering Sciences： 1⁃13 （2025⁃05⁃26）［2025⁃08⁃06］. https：//link.cnki.net/urlid/51.1773.TB.20250526.0925.001.
[17]	赵昭，雷华明. 差压式电容传感器膜片的变形分析与优化设计［J］. 上海交通大学学报， 2023， 57（3）： 264⁃272.
	ZHAO Z， LEI H M. Deformation analysis and optimal design of membrane for differential pressure capacitance sensor［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2023， 57（3）： 264⁃272.
[18]	丁建梅，张祥兵，王海. 基于Ansys对中心开孔金属膜片性能的研究与探讨［J］. 材料科学与工程学报， 2016， 34（2）： 280⁃286.
	DING J M， ZHANG X B， WANG H. Study and probe on performance of holed metal diaphragm based on ansys［J］. Journal of Materials Science and Engineering， 2016， 34（2）： 280⁃286.
[19]	王德辉，李昕炎. 两类损失函数下泊松差分布参数的Bayes估计［J］. 辽宁大学学报（自然科学版）， 2025， 52 （1）： 86⁃96.
	WANG D H，，LI X Y. Bayes estimation of parameters of poisson difference distribution under two types of loss functions［J］. Journal of Liaoning University（Natural Science Edition）， 2025， 52（1）： 86⁃96.
[20]	周文卓，蔡寒幸，杜雅雯，等. 基于一维时间扩散飞行方法的非均质裂缝性砂岩气藏试井模型［J］. 东北石油大学学报， 2025， 49 （3）： 105⁃114.
	ZHOU W Z，CAI H X，DU Y W， et al. Well test model for heterogeneous fractured tight sandstone gas reservoirs based on the one⁃dimensional diffusive time of flight method［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2025， 49 （3）： 105⁃114.
[21]	赵国超，尹诗，周国强，等.波动载荷下双级减压器反馈膜片力学性能分析［J］.兵器装备工程学报，2023，44（10）：258⁃265.
	ZHAO G C， YIN S， ZHOU G Q， et al. Mechanical properties analysis of feedback diaphragm of the double⁃stage decompressor under fluctuating load［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering， 2023， 44（10）： 258⁃265.
[22]	韩明君，周朝逾，李鸿瑞，等. 组合结构波纹管膜片非线性大挠度分析［J］. 兰州理工大学学报， 2021， 47（4）： 157⁃164.
	HAN M J， ZHOU C Y， LI H R， et al. Nonlinear large deflection analysis of the composite structure bellows diaphragm［J］. Journal of Lanzhou University of Technology， 2021， 47（4）： 157⁃164.
[23]	韩明君，王伟兵，李鸿瑞，等. 单圆弧波纹管膜片的非线性大变形分析［J］. 工程力学， 2020， 37（1）： 26⁃33.
	HAN M J， WANG W B， LI H R， et al. Nonlinear lager deformation analysis of single arc bellows diaphragm［J］. Engineering Mechanics， 2020， 37（1）： 26⁃33.
[24]	刘亚伟，胡梦飞，杨露露，等. 压力传感器波纹膜片设计的力学性能分析［J］. 传感器与微系统， 2018， 37（8）： 40⁃42.
	LIU Y W， HU M F， YANG L L， et al. Analysis on mechanical properties of corrugated diaphragm for pressure sensor［J］. Transducer and Microsystem Technologies， 2018， 37（8）： 40⁃42.
[25]	刘人怀，袁鸿. 弹性元件国内外理论发展概况［J］. 仪表技术与传感器， 2011（9）： 1⁃8.
	LIU R H， YUAN H. Overview of theory development for elastic elements at home and abroad［J］. Instrument Technique and Sensor， 2011（9）： 1⁃8.
[26]	饶启超. 膜片弹簧的结构设计及性能分析［J］. 低温与超导， 2016， 44（9）： 4⁃8.
	RAO Q C. Structure design and performance analysis of flexure bearing［J］. Cryogenics and Superconductivity， 2016， 44（9）： 4⁃8.
[27]	廖升友，杨有春. 膜片弹簧力学性能有限元分析［J］. 内燃机与配件， 2021（5）： 44⁃45.
	LIAO S Y， YANG Y C. Finite element analysis of mechanical properties of diaphragm spring［J］. Internal Combustion Engine & Parts， 2021（5）： 44⁃45.
[28]	张璘，马岩，陶冶，等.基于MATLAB的膜片弹簧参数对性能影响及优化［J］. 吉林化工学院学报， 2020， 37（7）： 32⁃35.
	ZHANG L， MA Y， TAO Y， et al. Influence of diaphragm spring parameters on performance and optimization based on MATLAB［J］. Journal of Jilin Institute of Chemical Technology， 2020， 37（7）： 32⁃35.