隔膜真空泵是一種干式運行、真空度相對不高的真空泵，工作原理是通過往復(fù)拉伸-壓縮隔膜，造成隔膜室容積發(fā)生變化，再結(jié)合單向閥切換氣路，完成抽取真空的功能。由于橡膠隔膜本身彈性大，對氣體并不能實現(xiàn)完全壓出，故隔膜
真空泵的真空度一般不高于200Pa， 但 是其具有體積小，重量輕，使用方便等優(yōu)點，所有與氣體接觸的部件經(jīng)過防腐處理后可以完全解決了真空泵的抗化學(xué)腐蝕問題。特別適合用于需要抗化學(xué)腐蝕或需長時間不間斷運行的場合，主要應(yīng)用于食品、化學(xué)、醫(yī)藥、航空和汽車等工業(yè)。橡膠隔膜是隔膜真空泵最關(guān)鍵的部件，長時間、高真空的使用要求對隔膜的材料和其相關(guān)部件的設(shè)計提出了更高的要求。本文作者使用有限元分析軟件ANSYS對隔膜真空泵的橡膠隔膜進行建模并分析計算，為優(yōu)化橡膠隔膜的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
1 橡膠材料的理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)擬合
隔膜的材料采用的是橡膠，橡膠由于交聯(lián)分子鏈拆開的原因可承受高達100%~700%的彈性變形，人們在研究橡膠材料時，認為它是各向同性不可壓縮的超彈性體。橡膠是一種超彈性材料，超彈性材料的本構(gòu)關(guān)系呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性。橡膠的泊松比接近大于塑料。一般工程材料的應(yīng)力狀態(tài)可以通過彈塑性曲線來描述，而超彈性材料則是通過彈性勢能函數(shù)來描述，應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系是高度非線性的。橡膠力學(xué)模型表現(xiàn)為復(fù)雜的材料非線性和幾何非線性。目前，理論模型可以分為兩類，基于熱力學(xué)的動力學(xué)理論高斯統(tǒng)計模型和非高斯統(tǒng)計模型；基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的多項式模型，
2 橡膠隔膜的ANSYS有限元分析
圖 1 雙層橡膠隔膜
2.1 橡膠隔膜的幾何結(jié)構(gòu)
隔膜真空泵的橡膠隔膜結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖可以看出此橡膠隔膜為軸對稱結(jié)構(gòu)，故分析時只對其截面進行分析。
2.2 有限元模型的建立
建立橡膠隔膜的軸對稱有限元模型。橡膠隔膜采用Hyper183單元，橡膠隔膜中心部分實際有一鐵心，實際分析時并不影響，可以舍去后單對隔膜進行研究。橡膠隔膜的截面結(jié)構(gòu)。
2.3.1 位移邊界條件
（1）隔膜右端上下兩面及右端面被氣室蓋和泵殼壓緊，其各種自由度被限制，其位移將被完全限制；
（2）橡膠隔膜中心部位移將被耦合 ，隔膜中心部分添加一個位移為5mm的位移約束；
（3）由于是軸對稱分析，在最左端還要添加一個軸對稱約束，隔膜模型的最左邊。
2.3.2 應(yīng)力邊界條件
（1） 橡膠隔膜的上側(cè)有1atm大氣壓的壓力作用，在上表面添加一個方向朝下的大氣壓；
（2） 橡膠隔膜的下側(cè)受到真空吸力的作用，在隔膜下表面添加一個方向朝下的大氣壓。
3 結(jié)論
本文通過有限元分析的方法對橡膠隔膜進行了力學(xué)分析，并建立其2參數(shù)的M-R數(shù)學(xué)模型，得到橡膠隔膜最大應(yīng)力及應(yīng)變情況，為橡膠隔膜和真空氣室的設(shè)計提供了理論依據(jù)，本文提出的分析方法同樣適用于其他超彈性體的研究。
經(jīng)過研究，得出了以下結(jié)論：
（1） ANSYS有限元超彈性分析符合實際情況，能夠有效反應(yīng)橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變情況。
（2） 此橡膠隔膜最大應(yīng)力在真空接觸面的中部和上端直角處，為橡膠的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)，應(yīng)變模型為真空氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。
（3）分析所得應(yīng)力與實驗所得應(yīng)力相符。
