大型顯示器應對環境氣壓快速變化的處理方法及分析

楊志

（安徽中航顯示技術有限公司，安徽蕪湖 241002）

0 引言

顯示器尤其是大型特種顯示器是船舶、艦船、潛艇等不可缺少的裝備，大型顯示器可以被用來作為船舶導航系統中的顯示器，可以顯示各種導航信息，如航速、航向、位置、深度等[1]。此外，大型特種顯示器還可以用來控制導航系統的各項功能，如調整船速、調整航向等。大型特種顯示器可以被用來作為船舶監控系統中的顯示器，可以顯示各種監控信息（如船舶的狀態、船舶的能源消耗情況、環境狀況、雷達信息等）[2]，可以用來控制監控系統的各項功能（如調整攝像頭的角度、調整監控區域等）。大型特種顯示器還可以被用來作為船舶通信系統中的顯示器，可以顯示各種通信信息，如收發電報、接聽電話、收發北斗短報文、收發電子郵件等[3]。

船舶、艦船、潛艇等在正式下水前都要進行一系列可靠性試驗與檢測，其中氣密性試驗是不可或缺的，用來保證船體密封良好。在氣密性試驗過程中，可能會對大型特種顯示器的顯示器蓋板玻璃造成破壞，造成蓋板玻璃碎裂。針對這一問題，本文進行了原因分析，并提出一種解決方案。

1 問題及原因分析

1.1 問題描述

在進行艦船艙室氣密性試驗及充氣試驗的過程中，空氣通過兩個特制人孔蓋注入被試驗艙室，當壓力表指針超過一定值時，關閉球閥，靜壓15 min[4]；在氣體注入艙室的過程中某尺寸的大型特種顯示器的蓋板玻璃會發生碎裂。

1.2 原因分析

現猜想某尺寸的大型特種顯示器的蓋板玻璃發生碎裂的原因是由于在艦船艙室進行氣密性試驗過程中顯示器腔體內外產生了大氣壓差，大氣壓差作用在蓋板玻璃上，使蓋板玻璃所受到的局部應力大于其最大極限應力強度。

下面對以上猜想進行仿真計算分析：大型特種顯示器是在25 ℃、0.101 MPa的環境下裝配制作的，并且整個顯示器腔體密封良好，不會透過空氣，艙室進行氣密性試驗過程中會額外向艙室注入50 kPa的大氣壓。為了節省計算資源，對顯示器進行簡化處理，忽略其內部零部件、元器件，只保留腔體本身；腔體外殼體為3 mm厚的6061鋁合金，封面為2.8 mm的鋼化玻璃，整體外形尺寸為453 mm×353 mm×118 mm；忽略因受到大氣壓差所導致的腔體外形形變而改變的所受大氣壓差；簡化后的顯示器腔體如圖1所示。

圖1 顯示器三維模型及材質

以下對蓋板玻璃受力情況進行有限元分析，相關參數如下：玻璃尺寸為430 mm×330 mm×2.8 mm，腔體底邊固定，承受載荷為50 kPa。

選擇的研究對象為玻璃材質，參數如圖2所示。

圖2 所選玻璃材質的力學特性

對模型進行網格劃分，并運行計算，得出計算結果，如圖3所示。

圖3 顯示器在外部加壓后受力分析

由分析結果可知，玻璃長邊的靠近邊緣的區域所受應力最大，為174 MPa，實測該鋼化玻璃耐受應力極限為80～90 MPa（四點彎曲測試法測試[5]），理論分析的玻璃所受最大應力大于此數值，因此玻璃在50 kPa（即往艙室額外注入0.05MPa的氣壓）的情況下蓋板玻璃會被破壞，因此對蓋板玻璃碎裂原因的猜想是正確的。

2 解決方案

2.1 限制條件

特種顯示器的大小是由內部顯示模塊及電路組件所決定，不可改變，因此不能夠通過改變顯示器的尺寸來改變蓋板玻璃的尺寸進而改善受力情況；特種顯示器的厚度方向堆疊緊湊，沒有多余的空間，因此也不能夠通過增加蓋板玻璃的厚度來增加蓋板玻璃的強度；特種顯示器使用環境比較惡劣，尤其是前期要做一系列環境測試試驗，包括交變濕熱試驗，如果顯示器腔體無法做到密封，水氣很有可能在交變濕熱條件下侵入，在顯示器腔體內積水，影響整個產品性能，因此也不能通過破壞產品的密封性能來改變顯示器腔體內外壓力情況。

2.2 增加雙向泄壓閥

根據實際遇到的問題，再結合解決問題的限制條件，可以在大型特種顯示器機身上安裝雙向泄壓閥，在一定程度上平衡進行氣密性試驗時顯示器腔體內外的壓力差。泄壓閥又名安全閥，根據系統的工作壓力能自動啟閉，一般安裝于封閉系統的設備或管路上，用于保護系統安全。當設備或管道內壓力超過泄壓閥的設定壓力時，即自動開啟泄壓，從而起到調節艙內流量和壓強的作用[6]。為了不增加顯示器的外部體積，雙向泄壓閥裝入顯示器腔體的內部，安裝示意圖如圖4所示。

圖4 顯示器安裝雙向泄壓閥示意圖

要使雙向泄壓閥在氣密性試驗時對顯示器起到保護作用，同時不影響顯示器的其它性能，雙向泄壓閥還需要滿足2個條件。

1）在濕熱試驗的過程中，溫濕度的變化可以導致顯示器內部出現凝露現象，可能對設備內部光學組件或電路組件造成不可逆的損壞，因此在濕熱試驗過程中雙向泄壓閥不能打開，必須保持閉合狀態。濕熱試驗過程中，24 h 為一個循環周期，最少進行10個周期的試驗。一般10個周期足以展現濕熱環境對大多數裝備的潛在影響，其溫度循環控制圖如圖5所示[7]。

圖5 溫度循環控制圖

顯示器都是在25 ℃、0.101 MPa環境的凈化車間裝配的，且密封完好。做濕熱試驗最高溫度為60 ℃，溫度差值為35 ℃。

理想氣體的狀態方程為

式中：p為壓強，Pa；V為氣體體積，m3；T為溫度，K；n為氣體的物質的量，mol；R為摩爾氣體常數（也叫普適氣體恒量）[8]，J/(mol·K)。

由理想氣體的狀態方程可知，當顯示器內部腔體體積不變時，其內部壓強和溫度（開氏溫度）成正比，由此可計算出在60 ℃的條件下，顯示器內部的壓強是113.22 kPa；外部的大氣壓強依然是101.33 kPa；內外壓差ΔP=11.89 kPa。

因此，為了在濕熱試驗過程中保證顯示器腔體不和外界連通，雙向泄壓閥的泄壓壓差閾值要調整在11.89 kPa以上。

2）顯示器和船體艙室在一起進行氣密性試驗時，整個加壓過程中，顯示器內部和外部的壓強差始終控制在一個對顯示器蓋板玻璃安全的數值。

3 理論分析驗證

3.1 過程分析

1）船體艙室氣密性試驗分為加壓過程、保壓過程、釋壓過程等3個過程；前15 s向艙室內部充氣，在1個標準大氣壓的基礎上額外加壓50 kPa，然后保壓15 min，觀察有無泄壓問題出現，最后15 s釋壓。艙室內部大氣壓強隨時間變化對應關系如圖6所示。釋壓過程是加壓過程的逆過程，又因為保壓過程中顯示器腔體內外壓差不會增加，因此為了計算方便，接下來只研究加壓過程中顯示器腔體內外壓差的變化。

2）在艙室加壓的過程中，顯示器腔體內外的壓差變化可分為2個階段：第一階段，當顯示器內外壓差小于雙向泄壓閥的泄壓壓差閾值時，顯示器內外壓差隨時間線性變化，一直增加；第二階段，當顯示器內外壓差大于雙向泄壓閥的泄壓壓差閾值時，顯示器腔體開始進氣，顯示器內外壓差呈非線性變化。

3.2 理論分析

為了節省計算資源，進行如下假設：大型特種顯示器為剛性結構，忽略因腔體內外壓差引起的形狀變化；忽略在整個過程中氣體做功而引起的溫度變化；大型特種顯示器用中空腔體代替，忽略內部元器件所占空間；整個過程顯示器內部的各處壓強不盡相同，取其平均值為內部壓強值。

3.2.1 艙室加壓第一階段

對于顯示器腔體內外壓差變化的第一個階段，其某一時刻的壓強差計算公式為

式中：ΔP為顯示器腔體內外壓強差；P3為艙室最終壓強；P1為艙室初始壓強，0.101 MPa；t0為整個加壓過程所用時間；t為顯示器腔體內外壓差變化的第一階段某一時刻。

為了計算方便，同時滿足顯示器的濕熱試驗過程中雙向泄壓閥不會打開，設雙向泄壓閥的臨界開關壓差為13.33 kPa， 大 于11.89 kPa，即艙室加壓4 s后顯示器腔體內外壓差值，艙室加壓第一階段為4 s，顯示器內外壓差變化如圖7所示。

圖7 加壓第一階段壓差變化曲線

3.2.2 艙室加壓第二階段對于顯示器腔體內外壓差變化的第二階段，顯示器腔體開始從雙向泄壓閥進氣，其進氣流速表達式為

式中：Cf2為噴管出口的氣流速度，在此看作顯示器腔體內側的進氣氣流速度，m/s；P0為入口總壓，在此視作艙室壓強，Pa；P2為噴管出口處壓強，在此視作顯示器腔體內進氣口的壓強，Pa；v0為艙室內顯示器外側進氣口處的比體積，m3/kg；k為氣體的比熱比。

從泄壓閥流入顯示器腔體內的氣體體積表達式為

式中：ΔV為顯示器腔體進氣量，以泄壓閥打開時刻為起始時刻，t為顯示器腔體內外壓差變化的第二階段中的某時刻，A為泄壓閥氣流流道截面積，D為泄壓閥氣流流道直徑，ρt為t時刻艙室內空氣密度，其大小與t時刻艙室內壓強有關。

ρt與t時刻艙室內壓強之間的表達式為：

式中：ρt為t時刻艙室內空氣密度；ρ1為在0.101 MPa、25 ℃環境下空氣密度；P0為t時刻艙室的大氣壓；P1為初始大氣壓，0.101 MPa；P4為顯示器開始進氣時對應的艙室臨界大氣壓；P3為艙室最終壓強；t0為整個加壓過程所用時間；t為顯示器腔體內外壓差變化的第二階段某一時刻。

對于顯示器腔體內部，其氣體總質量與腔體內部壓強成正比：

式中：m2為t時刻顯示器腔體內氣體總質量，P2為t時刻顯示器腔體內氣體壓強，m0為初始狀態顯示器腔體內氣體質量，P1為初始狀態顯示器腔體內氣體壓強。上式可表示為

式中：ρ1、ΔV1分別為初始狀態（25℃，0.101 MPa）下顯示器腔體內空氣的密度和體積，ΔV為顯示器腔體進氣量，ρ為t時刻空氣密度。

顯示器腔體內外壓差變化的第二階段中顯示器內外壓強差ΔP=P0-P2。

3.3 數值計算

3.3.1 加壓第二階段最大壓力差的計算

對于顯示器腔體內外壓差變化的第二階段：P4為13.33 kPa，P1為101.3 kPa，P3為151.3 kPa，泄壓閥氣流通道直徑D為4 mm，初始空氣密度ρ1為1.29 kg/m3；V1為0.017 4 m3；t0為15 s，顯示器腔體內外壓差變化的第二階段過程為11 s。以上條件作為邊界條件代入計算機進行流場分析，顯示器腔體進氣過程中流線圖如圖8所示。

圖8 計算機模擬進氣流線圖

顯示器腔體內外壓差變化的第二階段中顯示器腔體內外壓差的變化曲線如圖9所示，算得該過程最大壓差為19.556 kPa。

圖9 加壓第二階段壓差變化曲線

圖10 最大壓差時顯示器應力狀態

利用算得的最大壓差進行應力分析，可計算出蓋板玻璃在最大壓差的作用下所受的最大應力為52.15 MPa，該應力值在蓋板玻璃強度范圍內。

3.3.2 泄壓閥氣流流道直徑的影響

受客觀條件的影響，顯示器體積的大小、蓋板玻璃的材質及厚度無法改變，但是可以改變泄壓閥氣流流道直徑，以下研究泄壓閥氣流流道直徑對壓差最大值的影響。

保持顯示器體積不變的情況下，把不同的泄壓閥氣流流道直徑的值輸入計算機，進行模擬分析并得出數值，如表1所示。

表1 泄壓閥氣流流道直徑對壓差最大值的影響

由表1可知，泄壓閥氣流流道直徑在一定范圍內同壓差最大值成負相關，當突破某一值后，泄壓閥氣流流道直徑的增大不會使顯示器腔體內外最大壓差減小，始終保持一定值，該定值即為泄壓閥的臨界開關壓差。因此，為保證蓋板玻璃的安全可靠，在設計允許的情況下盡可能地選用氣流流道直徑較大的雙向泄壓閥。

4 結論

綜上所述，對某應用在艦船上的大型特種顯示器進行船體艙室氣密性試驗時，由于外界氣壓的快速變化造成顯示器內外壓差增大，從而導致顯示器的蓋板玻璃碎裂，在不改變顯示器大小、蓋板玻璃材質和厚度并滿足顯示器在做濕熱試驗時始終處于密封狀態的情況下，可以在顯示器的機身上安裝雙向泄壓閥來解決此類問題，前提是根據具體情況設置好雙向泄壓閥的臨界開關壓差，同時在條件允許的情況下，盡可能地選用氣流流道直徑較大的雙向泄壓閥，這樣安全系數更高。