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对于板式换热设施效能的试验与探讨

作者:PANSTAR 发布于:2011-12-15 18:20:33 点击量:

    分析橡胶密封力学性能时,常将其假设为超弹性材料,应力为应变能密度函数对应变的导函数。文献建立了橡胶材料本构关系,并通过工程测试得到了材料常数;文献基于Mooney-Rivlin模型,数值模拟了X形截面橡胶密封圈的应力分布;文献对硅橡胶材料进行单轴拉伸测试,通过拟合处理得到材料常数,并模拟了O形橡胶密封圈在操作条件下的应力与变形;文献数值分析了初始压缩率和液体压力对矩形密封圈的影响;试验分析了橡胶硬度与材料常数关系,数值模拟了橡胶支座的应力大小;针对U形管换热器法兰垫片,分别数值模拟了预紧条件、操作条件下的垫片应力、应变大小;利用大变形橡胶理论和试验数据,得到丁腈橡胶在Mooney-Rivlin和Yeoh模型下的材料常数。
  橡胶材料力学性能受形状影响很大,上述文献报道的研究成果不适用于横截面为菱形、燕尾槽等形状的板式换热器垫片。文中对横截面为菱型的板式换热器垫片进行了压缩-回弹性能测试,并基于Mooney-Rivlin和Yeoh模型,得到了压缩变形量与其表面密封压力的应力与应变的关系,揭示了梯形槽对垫片密封压力影响的规律,这对于设计产品的密封结构具有重要参考价值。
  1垫片压缩回弹性能试验
  1.1试验装置与试件
  试验加载系统为MTS-2.5吨材料性能试验机所示。试件是从整张传热板片中切割出一部分带有梯形垫片槽的矩形板片,板片材质为316L所示。垫片材料为三元乙丙橡胶,硬度为邵氏80,垫片横截面为菱型,主要结构尺寸。
  1.2试验内容
  试验包含两部分:(1)常温下,垫片简单压缩回弹。将横截面为菱形的密封垫片水平放置在刚性平板上,通过固定在试验机上、下夹具上的钢圆柱(7mm)施加压缩载荷,测试在不同载荷下垫片的位移大小。加载速率参考设备的实际装配、操作条件,控制压缩速率0.018mm/s,回弹速率0.007mm/s.此试验以下称简单压缩回弹;(2)在梯型密封槽约束作用下的垫片压缩回弹。
  将横截面为菱形的垫片嵌入矩形板片的梯形槽中,通过固定在上、下夹具的钢圆柱施加载荷。其他加载条件与前部分的试验相同。
  此试验以下称约束压缩回弹。
  2试验结果分析
  2.1简单压缩
  假设板式换热器橡胶垫片属于超弹性材料,3个主方向的厚度与压缩前垫片的初始厚度之比,也称为压缩比。综合式(1)、(2)得:S=2WC=2[(WI1 I1WI2)I-WI2C I3WI3C-1](4)利用真实应力与S之间的关系,得到垫片在变形后的真实应力表达式:=-pI 2[WI1B-WI2B-1](5)主应力分量为:i=-p 2[WI12i-WI2-2i](i=1,2,3)(6)式(5)中,B是左柯西-格林应变张量(leftCauchy-Greenstraintensor),-pI代表流体静压力张量,I为二阶单位张量。为真实应力张量。
  简单压缩时,垫片表面只在一个方向有真实压应力1,又因为橡胶材料具有不可压缩性,设1=,则有:2=3=1,则式(6)可简化为:1=2(2-1)(WI1 WI21)(7)工程实际中,可拆卸板式换热器垫片的预紧压缩量一般为垫片初始厚度的1535,压缩变形过程中,垫片瞬时受力面积要大于初始受力面积。分别以瞬时受力面积和初始受力面积为基准的真实压应力1与名义压应力e关系为:1=e在Mooney-Rivlin模型中应变能密度函数为:W=C10(I1-3) C01(I2-3)(8)将式(8)代入式(7)得:1=2(2-1)(C10 C011)(9)在Yeoh模型[10]中应变能密度函数为:W=C10(I1-3) C20(I1-3)2 C30(I1-3)3(10)将式(10)代入式(7)有:1=2(2-1)[C10 2C20(2 2-3) 3C30(2 2-3)2](11)利用最小二乘法可确定式(9)、(11)中的材料常数值C10,C01,C20,C30,得到的两模型拟合应力值如所示。
  当压缩比大于0.75时,Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型预测sp误差值都小于5.示出了垫片简单压缩时的真实应力测试值以及利用模型拟合的曲线。Yeoh模型拟合曲线与试验数据变化趋势接近一致。
  2.2约束压缩
  在梯形槽约束前、后,垫片真实压应力的相对变化率,定义为分别在约束压缩、简单压缩条件下压应力差值与简单压缩应力的比值,用于反映在梯形槽约束前、后垫片压应力的变化。
  当为0.9时,由于梯形槽约束作用,约束压缩时的真实压应力为1.25MPa,较简单压缩时提高9.65.为0.75时,垫片压应力从3.11MPa提高到5.58MPa,比简单压缩时提高79.42.
  压缩比越小,传热板片的梯型槽对垫片横向变形的约束作用越明显,可显著提高垫片初始预紧力,有利于密封(双道密封铝隔条式中空玻璃的密封透气性)。
  2.3回弹阶段
  列出了在相同压缩比条件下,简单压缩时垫片回弹(简称简单回弹)过程中的真实压应力测试值以及在约束压缩后垫片回弹(简称约束回弹)时的真实压应力。
  r为回弹阶段,在梯形槽约束前、后,垫片压应力的相对变化率,定义为简单压缩、约束压缩后垫片回弹的真实压应力与简单回弹时压应力比值。
  可知,垫片回弹量逐渐增加时,简单回弹、压缩回弹条件下压应力均随之减小,其原因是梯形槽对垫片约束作用随垫片回弹量增加而不断减小。
  可以看出,垫片压缩量越大,约束压缩与简单压缩下的压应力相差就越大,其原因是垫片变形越大,梯形槽对其约束作用不断增强,反之,回弹变形量越大,二者的压应力差值越小。此外,曲线1、曲线2反映的垫片压缩、回弹变形途径都不一致,说明垫片在变形过程中具有时滞效应,但共同特点是回弹性阶段垫片表面的真实应力要小于压缩阶段在同一压缩比下的压应力值。
  3结论
  (1)测试了具有菱形横截面,材料为三元乙丙橡胶,硬度为邵氏80的板式换热器密封垫片的16CPVT可拆卸板式换热器垫片压缩回弹性能试验与分析压缩回弹性能。揭示了板片中的梯形槽对垫片压应力影响的规律。在梯形槽约束作用下,压缩和回弹阶段的垫片压应力均明显高于简单压缩,其原因是垫片变形越大,梯形槽对其约束作用不断增强。反之亦然。
  (2)分别基于Mooney-Rivlin和Yeoh模型,当压缩比大于0.75时,推导出了可拆卸板式换热器垫片在简单压缩时的应力与压缩比关系,为垫片厚度、预紧压缩量以及夹紧螺栓尺寸和数量提供了设计依据。模拟结果较真实应力误差小于5.
  (3)简单压缩和约束压缩条件下,垫片的实际压缩、回弹变形途径并不一致,具有明显的时滞效应,但共同特点是回弹性阶段垫片表面的真实压应力要小于压缩阶段在同一压缩比下的真实压应力值。

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