A fémharangok tervezésének elméleti alapja a lemez- és héjelmélet, az anyagmechanika és a számítási matematika. A harmonikatervezésben számos paraméter szerepel, és a tervezési számítások fókusza a harmonika rendszerben való alkalmazásától függően változik. Például, ha csőmembránt erőkiegyenlítő alkatrészekben használnak, a hatásos területüknek állandónak kell maradnia, vagy csak nagyon keveset kell változnia a működési tartományon belül; az alkatrészek mérésénél alkalmazva rugalmas tulajdonságaiknak lineárisnak kell lenniük; ha vákuumkapcsoló csövekben vákuumtömítésként használják, a harmonikának meg kell felelnie a vákuumtömítésre, a tengelyirányú elmozdulásra és a kifáradási élettartamra vonatkozó követelményeknek; szelepek tömítéseként történő felhasználáskor a csőmembránnak rendelkeznie kell bizonyos nyomásállósággal, korrózióállósággal, hőállósággal, üzemi elmozdulással és kifáradási élettartammal. A fújtató szerkezeti jellemzői alapján kör alakú héjból, lapos kúpos héjból vagy körlapból állónak tekinthető. A fújtató tervezése és számítása lényegében egy kör alakú héj, egy lapos kúpos héj vagy egy körlemez tervezését és számítását jelenti.
A számított paraméterek közé tartozik a merevség, a feszültség, az effektív terület, az instabilitás, a megengedett elmozdulás, a nyomásállóság és az élettartam.
Nyomásállóság: A nyomásállóság kulcsfontosságú paraméter a harmonika teljesítményéhez. Az a maximális statikus nyomás, amelyet egy csőmembrán szobahőmérsékleten plasztikus deformáció nélkül képes elviselni, a maximális nyomásállósága. Normál körülmények között a harmonika bizonyos nyomáson (belső vagy külső) működik, ezért ezt a nyomást működésük során plasztikus deformáció nélkül kell elviselniük.
A fújtató nyomásállósága valójában az erőssége kategóriájába tartozik. A számítás kulcsa a feszültségelemzés, amely magában foglalja a harmonikafal feszültségének elemzését. Amíg a csőmembrán falának maximális igénybevételi pontján a feszültség nem haladja meg az anyag folyáshatárát, addig a csőmembránra nehezedő nyomás nem éri el a nyomásállóságát.
Azonos üzemi feltételek mellett ugyanaz a harmonika külső nyomás alatt stabilabb, mint belső nyomás alatt. Ezért a maximális nyomásellenállás külső nyomás alatt nagyobb, mint belső nyomás alatt.
Ha a harmonika mindkét vége rögzítve van, és ha kellően nagy nyomást vezetnek be a belső üregébe, akkor a harmonikalapok szétrepedhetnek és meghibásodhatnak. A felszakadás kezdetekor a fújtató belsejében lévő nyomásértéket felszakítási nyomásnak nevezzük. A felszakítási nyomás egy olyan paraméter, amely a harmonika maximális nyomásállóságát jellemzi. Működése során a harmonika üzemi nyomása jóval alacsonyabb, mint a repedési nyomása; ellenkező esetben a fújtató elreped és megsérül.
Ha a hullámhossz kisebb vagy egyenlő, mint a külső átmérő, a számított eredmény nagyon közel van a tényleges felszakítási nyomáshoz; karcsú fújtatóknál a tényleges felszakítási nyomás sokkal kisebb. A felszakítási nyomás körülbelül 3-10-szerese a megengedett üzemi nyomásnak.
Stabilitás: Ha a harmonika mindkét vége korlátozva van, és ha a légrugó belsejében a nyomás egy bizonyos kritikus értékre emelkedik, a harmonika instabillá válik.
Megengedett elmozdulás: A kompresszió alatt működő harmonika esetében a maximális nyomó elmozdulása az a maximális elmozdulás, amelyet a harmonika nyomás alatt összenyomva tud produkálni, amíg a hullámok érintkeznek egymással. Ezt a megengedett legnagyobb szerkezeti elmozdulásnak is nevezik, és megegyezik a harmonika szabad hossza és a maximális összenyomott hossza közötti különbséggel.
A maximális elmozdulást, amelyet a csőmembrán plasztikus deformáció nélkül képes elérni, a harmonika megengedett elmozdulásának nevezzük.
A tényleges működés során a harmonika visszamaradt deformációt, más néven maradandó deformációt vagy képlékeny deformációt okoz. A maradó alakváltozás arra a jelenségre utal, amikor a csőmembrán erő vagy nyomás hatására deformálódik, és az erő vagy nyomás megszüntetése után nem tér vissza eredeti állapotába. Általában azt az összeget fejezik ki, amellyel a fújtató nem tér vissza eredeti helyzetébe, más néven nulla-pozícióeltolás.
Ami a harmonika elmozdulása és a nulla-pozíció eltolás közötti összefüggést illeti, legyen szó húzó vagy nyomó elmozdulásról, a harmonika elmozdulásának kezdeti szakaszában a maradó alakváltozása nagyon kicsi, általában kisebb, mint a harmonikaszabványban meghatározott megengedett nulla-pozícióeltolás érték. Ha azonban a húzó (vagy nyomó) elmozdulás fokozatosan növekszik egy bizonyos érték fölé, az a nulla-pozícióeltolás értékének hirtelen növekedését okozza. Ez azt jelzi, hogy a harmonika viszonylag nagy maradék alakváltozást produkált. Ezt követően, ha az elmozdulást csak kismértékben növeljük, a maradó alakváltozás jelentősen megnő. Ezért a harmonika általában nem haladhatja meg ezt az elmozdulási értéket; ellenkező esetben a pontossága, stabilitása, megbízhatósága és élettartama jelentősen csökken.
A harmonika megengedett nyomó elmozdulása összenyomva nagyobb, mint a megengedett húzóelmozdulása feszültség alatt. Ezért a fújtatókat úgy kell megtervezni, hogy a lehető legnagyobb mértékben összenyomva működjenek. Kísérletek kimutatták, hogy normál körülmények között azonos anyagú és specifikációjú harmonika esetén a megengedett nyomó elmozdulás a megengedett húzó elmozdulás másfélszerese.
A megengedett elmozdulás a harmonika geometriai méreteitől és anyagtulajdonságaitól függ. Általában a megengedett elmozdulás egyenesen arányos az anyag folyáshatárával és a külső átmérő négyzetével, és fordítottan arányos az anyag rugalmassági modulusával és a harmonika falvastagságával. A relatív hullámosodási mélységnek és vastagságnak is van némi befolyása.
Élettartam: A fújtató élettartama a lehető legrövidebb működési időtartam vagy ciklusszám, amely a normál működés biztosításához szükséges munkakörülmények között. A csőmembránból álló rugalmas tömítőrendszerek gyakran változó terhelések és nagy elmozdulások mellett, nagy ciklusszámmal működnek; ezért a fújtató élettartamának meghatározása kulcsfontosságú. Mivel a fújtatók különböző funkciói eltérő élettartamot igényelnek...
(1) Ha a harmonikát a csőrendszerbe történő beszerelés okozta helyzeteltérések kiegyenlítésére használják, annak élettartama csak néhány ciklus.
(2) Ha a harmonikát nagy kapcsolási frekvenciájú termosztátokban használják, élettartamának el kell érnie a 10 000 ciklust, hogy megfeleljen a használati követelményeknek.
(3) Ha a tömítést vákuumkapcsolókban vákuumtömítésként használják, élettartamának el kell érnie a 30 000 ciklust a normál működés érdekében.
Amint az a fenti három használati példából látható, a csőmembrán szükséges élettartama a különböző használati feltételek miatt nagymértékben változik. A harmonika élettartama összefügg a kiválasztott anyag kifáradási jellemzőivel, valamint a kialakított csőmembrán maradó feszültségének nagyságával, a feszültségkoncentrációval és a felület minőségével. Ezen túlmenően az élettartam összefügg a csőmembrán működési körülményeivel, például elmozdulással, nyomással, hőmérséklettel, munkaközeggel, rezgési feltételekkel, frekvenciatartománysal és ütközési feltételekkel.
Működés közben a csőmembrán élettartama főként a működés közben keletkező maximális igénybevételtől függ. A feszültség csökkentése érdekében ezt általában a harmonika üzemi elmozdulásának csökkentésével és az üzemi nyomás csökkentésével érik el. Általános tervezésben a harmonika üzemi elmozdulása a megengedett elmozdulás felénél, üzemi nyomása pedig nyomásállóságának felénél kisebb legyen.
A gyártott csőmembránokon végzett tesztek azt mutatták, hogy ha a harmonika ezen előírásoknak megfelelően működik, élettartama általában elérheti az 50 000 ciklust.
Az üzemi nyomás jellegétől függően a harmonika megengedett elmozdulása is változik. Általában, ha a harmonika csak axiális terhelést visel (feszítés vagy nyomás), megengedett elmozdulása a harmonika effektív hosszának 10%-a és 40%-a között választható; ha azonban a harmonika oldalirányú koncentrált erőket, torziós nyomatékokat vagy kombinált erőket visel, a megengedett elmozdulást megfelelően csökkenteni kell.
A több-rétegű harmonika használata csökkentheti a deformáció okozta merevséget és feszültséget, így jelentősen meghosszabbítja a harmonika élettartamát.
Ha a harmonika azonos feltételek mellett, de eltérő üzemi nyomásjellemzőkkel (állandó vagy váltakozó terhelés) működik, élettartamuk eltérő lesz. Nyilvánvaló, hogy a váltakozó terhelés mellett működő harmonika élettartama rövidebb, mint az állandó terhelésnél.
