Teoretična osnova za načrtovanje kovinskega meha je v teoriji plošč in lupin, mehaniki materialov in računalniški matematiki. Pri načrtovanju meha je vključenih veliko parametrov, poudarek konstrukcijskih izračunov pa se razlikuje glede na uporabo meha v sistemu. Na primer, ko se meh uporablja v komponentah za uravnoteženje sile, mora njihova efektivna površina ostati nespremenjena ali se zelo malo spreminjati znotraj delovnega območja; pri uporabi v merilnih komponentah morajo biti njihove elastične lastnosti linearne; kadar se uporabljajo kot vakuumska tesnila v vakuumskih preklopnih ceveh, mora meh izpolnjevati zahteve za vakuumsko tesnjenje, aksialni premik in vzdržljivost; če se uporablja kot tesnilo v ventilih, mora meh imeti določeno tlačno odpornost, odpornost proti koroziji, temperaturno odpornost, delovni premik in življenjsko dobo. Na podlagi strukturnih značilnosti meha se lahko šteje, da je sestavljen iz krožne lupine, ravne stožčaste lupine ali krožne plošče. Načrtovanje in izračun meha je v bistvu načrtovanje in izračun krožne lupine, ploščate stožčaste lupine ali krožne plošče.
Izračunani parametri vključujejo togost, napetost, efektivno površino, nestabilnost, dovoljeni premik, tlačno odpornost in življenjsko dobo.
Tlačna odpornost: Tlačna odpornost je ključni parameter za delovanje meha. Največji statični tlak, ki ga meh lahko prenese pri sobni temperaturi brez plastične deformacije, je njegova največja tlačna odpornost. V normalnih okoliščinah meh deluje pod določenim pritiskom (notranjim ali zunanjim), zato mora ves čas delovanja vzdržati ta pritisk brez plastične deformacije.
Tlačna odpornost meha pravzaprav spada v kategorijo njegove trdnosti. Ključ do izračuna je analiza napetosti, ki vključuje analizo napetosti na steni meha. Dokler napetost na točki največje napetosti na steni meha ne preseže meje tečenja materiala, pritisk na meh ne bo dosegel njegove tlačne odpornosti.
Pri enakih delovnih pogojih je isti meh bolj stabilen pod zunanjim tlakom kot pod notranjim tlakom. Zato je največja tlačna upornost pod zunanjim tlakom večja kot pri notranjem tlaku.
Če sta oba konca meha pritrjena, če se v njegovo notranjo votlino vnese dovolj velik pritisk, lahko grebeni meha počijo in odpovejo. Vrednost tlaka v mehu, ko se začne počenje, se imenuje porušitveni tlak. Razpočni tlak je parameter, ki označuje največjo tlačno odpornost meha. Med celotnim delovanjem je delovni tlak meha veliko nižji od njegovega porušitvenega tlaka; sicer bo meh počil in se poškodoval.
Ko je valovita dolžina manjša ali enaka zunanjemu premeru, je izračunani rezultat zelo blizu dejanskemu porušitvenemu tlaku; pri vitkem mehu je dejanski porušitveni tlak veliko nižji. Razpočni tlak je približno 3- do 10-kratnik dovoljenega delovnega tlaka.
Stabilnost: Ko sta oba konca meha omejena, če se tlak v mehu poveča na določeno kritično vrednost, postane meh nestabilen.
Dovoljeni premik: Za meh, ki deluje pod pritiskom, je njegov največji tlačni premik največji premik, ki ga lahko povzroči meh, ko je stisnjen pod pritiskom, dokler valovi ne pridejo v stik drug z drugim. To se imenuje tudi največji dovoljeni konstrukcijski premik in je enak razliki med prosto dolžino in največjo stisnjeno dolžino meha.
Največji pomik, ki ga lahko doseže meh brez plastične deformacije, imenujemo dopustni pomik meha.
Med dejanskim delovanjem bo meh povzročil preostalo deformacijo, znano tudi kot trajna deformacija ali plastična deformacija. Preostala deformacija se nanaša na pojav, ko se meh deformira pod vplivom sile ali pritiska in se po odstranitvi sile ali pritiska ne vrne v prvotno stanje. Običajno je izražen kot znesek, za katerega se meh ne vrne v prvotni položaj, znan tudi kot odmik ničelnega-položaja.
Kar zadeva razmerje med premikom meha in odmikom ničelnega-položaja, ne glede na to, ali gre za natezni ali tlačni premik, je v začetni fazi odmika meha njegova preostala deformacija zelo majhna, na splošno manjša od dovoljene vrednosti odmika ničelnega-položaja, določene v standardu za meh. Ko pa se natezni (ali tlačni) premik postopoma poveča in preseže določeno vrednost, bo to povzročilo nenadno povečanje vrednosti zamika ničelne -položaja. To pomeni, da je meh povzročil relativno veliko preostalo deformacijo. Po tej točki, če se premik vsaj malo poveča, se bo preostala deformacija znatno povečala. Zato meh na splošno ne sme preseči te količine odmika; sicer bodo njegova natančnost, stabilnost, zanesljivost in življenjska doba močno zmanjšane.
Dovoljeni tlačni premik meha pri stiskanju je večji od dovoljenega nateznega odmika pod napetostjo. Zato mora biti meh oblikovan tako, da deluje čim bolj pod pritiskom. Poskusi so pokazali, da je v normalnih okoliščinah za meh iz istega materiala in specifikacij dovoljeni tlačni pomik 1,5-krat večji od dovoljenega nateznega pomika.
Dovoljeni premik je povezan z geometrijskimi merami meha in lastnostmi materiala. Na splošno je dovoljeni premik neposredno sorazmeren z mejo tečenja materiala in kvadratom zunanjega premera ter obratno sorazmeren z modulom elastičnosti materiala in debelino stene meha. Nekaj vpliva tudi relativna globina in debelina valovitosti.
Življenjska doba: Življenjska doba meha je najkrajše možno obdobje delovanja ali število ciklov, potrebnih za zagotovitev normalnega delovanja v delovnih pogojih. Elastični tesnilni sistemi, sestavljeni iz meha, pogosto delujejo pri različnih obremenitvah in velikih premikih z velikim številom ciklov; zato je določitev življenjske dobe meha ključnega pomena. Ker različne funkcije meha zahtevajo različne življenjske dobe ...
(1) Kadar se meh uporablja za kompenzacijo položajnih odstopanj, ki jih povzroči vgradnja v cevovodni sistem, je zahteva za njegovo življenjsko dobo le nekaj ciklov.
(2) Če se meh uporablja v termostatih z visokimi preklopnimi frekvencami, mora njegova življenjska doba doseči 10.000 ciklov, da izpolni zahteve glede uporabe.
(3) Če se meh uporablja kot vakuumsko tesnilo v vakuumskih stikalih, mora njegova življenjska doba doseči 30.000 ciklov, da se zagotovi normalno delovanje.
Kot je razvidno iz zgornjih treh primerov uporabe, se zahtevana življenjska doba meha močno razlikuje zaradi različnih pogojev uporabe. Življenjska doba meha je povezana z lastnostmi utrujenosti izbranega materiala, kot tudi z velikostjo preostale napetosti v oblikovanem mehu, koncentracijo napetosti in kakovostjo površine. Poleg tega je življenjska doba povezana z delovnimi pogoji meha, kot so premik, tlak, temperatura, delovni medij, pogoji vibracij, frekvenčno območje in pogoji udarca.
Med delovanjem je življenjska doba meha v glavnem odvisna od največje napetosti, ki nastane med delovanjem. Za zmanjšanje napetosti se to običajno doseže z zmanjšanjem delovnega odmika meha in znižanjem delovnega tlaka. V splošni zasnovi mora biti delovni premik meha manjši od polovice dovoljenega odmika, njegov delovni tlak pa mora biti manjši od polovice njegovega tlačnega upora.
Testi izdelanih mehov so pokazali, da če meh deluje v skladu s temi specifikacijami, lahko njegova življenjska doba na splošno doseže približno 50.000 ciklov.
Odvisno od vrste delovnega tlaka se spreminja tudi dovoljeni premik meha. Na splošno, ko meh prenaša samo aksialne obremenitve (nateg ali stiskanje), se lahko njegov dovoljeni premik izbere med 10 % in 40 % efektivne dolžine meha; kadar pa meh nosi bočne koncentrirane sile, torzijske momente ali kombinirane sile, je treba dovoljeni premik ustrezno zmanjšati.
Uporaba več-slojnega meha lahko zmanjša togost in obremenitev zaradi deformacije, s čimer se znatno podaljša življenjska doba meha.
Ko meh deluje pod enakimi pogoji, vendar z različnimi karakteristikami delovnega tlaka (konstantna ali izmenična obremenitev), bo njihova življenjska doba drugačna. Očitno je življenjska doba meha, ki deluje pod izmeničnimi obremenitvami, krajša kot pri stalnih obremenitvah.
