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對于板式換熱設施效能的試驗與探討
發(fā)布日期:2011-12-15

分析橡膠密封力學(xué)性能時(shí),常將其假設為超彈性材料,應力為應變能密度函數對應變的導函數。文獻建立了橡膠材料本構關(guān)系,并通過(guò)工程測試得到了材料常數;文獻基于Mooney-Rivlin模型,數值模擬了X形截面橡膠密封圈的應力分布;文獻對硅橡膠材料進(jìn)行單軸拉伸測試,通過(guò)擬合處理得到材料常數,并模擬了O形橡膠密封圈在操作條件下的應力與變形;文獻數值分析了初始壓縮率和液體壓力對矩形密封圈的影響;試驗分析了橡膠硬度與材料常數關(guān)系,數值模擬了橡膠支座的應力大??;針對U形管換熱器法蘭墊片,分別數值模擬了預緊條件、操作條件下的墊片應力、應變大??;利用大變形橡膠理論和試驗數據,得到丁腈橡膠在Mooney-Rivlin和Yeoh模型下的材料常數。

橡膠材料力學(xué)性能受形狀影響很大,上述文獻報道的研究成果不適用于橫截面為菱形、燕尾槽等形狀的板式換熱器墊片。文中對橫截面為菱型的板式換熱器墊片進(jìn)行了壓縮-回彈性能測試,并基于Mooney-Rivlin和Yeoh模型,得到了壓縮變形量與其表面密封壓力的應力與應變的關(guān)系,揭示了梯形槽對墊片密封壓力影響的規律,這對于設計產(chǎn)品的密封結構具有重要參考價(jià)值。

1墊片壓縮回彈性能試驗

1.1試驗裝置與試件

試驗加載系統為MTS-2.5噸材料性能試驗機所示。試件是從整張傳熱板片中切割出一部分帶有梯形墊片槽的矩形板片,板片材質(zhì)為316L所示。墊片材料為三元乙丙橡膠,硬度為邵氏80,墊片橫截面為菱型,主要結構尺寸。

1.2試驗內容

試驗包含兩部分:(1)常溫下,墊片簡(jiǎn)單壓縮回彈。將橫截面為菱形的密封墊片水平放置在剛性平板上,通過(guò)固定在試驗機上、下夾具上的鋼圓柱(7mm)施加壓縮載荷,測試在不同載荷下墊片的位移大小。加載速率參考設備的實(shí)際裝配、操作條件,控制壓縮速率0.018mm/s,回彈速率0.007mm/s.此試驗以下稱(chēng)簡(jiǎn)單壓縮回彈;(2)在梯型密封槽約束作用下的墊片壓縮回彈。

將橫截面為菱形的墊片嵌入矩形板片的梯形槽中,通過(guò)固定在上、下夾具的鋼圓柱施加載荷。其他加載條件與前部分的試驗相同。

此試驗以下稱(chēng)約束壓縮回彈。

2試驗結果分析

2.1簡(jiǎn)單壓縮

假設板式換熱器橡膠墊片屬于超彈性材料,3個(gè)主方向的厚度與壓縮前墊片的初始厚度之比,也稱(chēng)為壓縮比。綜合式(1)、(2)得:S=2WC=2[(WI1 I1WI2)I-WI2C I3WI3C-1](4)利用真實(shí)應力與S之間的關(guān)系,得到墊片在變形后的真實(shí)應力表達式:=-pI 2[WI1B-WI2B-1](5)主應力分量為:i=-p 2[WI12i-WI2-2i](i=1,2,3)(6)式(5)中,B是左柯西-格林應變張量(leftCauchy-Greenstraintensor),-pI代表流體靜壓力張量,I為二階單位張量。為真實(shí)應力張量。

簡(jiǎn)單壓縮時(shí),墊片表面只在一個(gè)方向有真實(shí)壓應力1,又因為橡膠材料具有不可壓縮性,設1=,則有:2=3=1,則式(6)可簡(jiǎn)化為:1=2(2-1)(WI1 WI21)(7)工程實(shí)際中,可拆卸板式換熱器墊片的預緊壓縮量一般為墊片初始厚度的1535,壓縮變形過(guò)程中,墊片瞬時(shí)受力面積要大于初始受力面積。分別以瞬時(shí)受力面積和初始受力面積為基準的真實(shí)壓應力1與名義壓應力e關(guān)系為:1=e在Mooney-Rivlin模型中應變能密度函數為:W=C10(I1-3) C01(I2-3)(8)將式(8)代入式(7)得:1=2(2-1)(C10 C011)(9)在Yeoh模型[10]中應變能密度函數為:W=C10(I1-3) C20(I1-3)2 C30(I1-3)3(10)將式(10)代入式(7)有:1=2(2-1)[C10 2C20(2 2-3) 3C30(2 2-3)2](11)利用最小二乘法可確定式(9)、(11)中的材料常數值C10,C01,C20,C30,得到的兩模型擬合應力值如所示。

當壓縮比大于0.75時(shí),Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型預測sp誤差值都小于5.示出了墊片簡(jiǎn)單壓縮時(shí)的真實(shí)應力測試值以及利用模型擬合的曲線(xiàn)。Yeoh模型擬合曲線(xiàn)與試驗數據變化趨勢接近一致。

2.2約束壓縮

在梯形槽約束前、后,墊片真實(shí)壓應力的相對變化率,定義為分別在約束壓縮、簡(jiǎn)單壓縮條件下壓應力差值與簡(jiǎn)單壓縮應力的比值,用于反映在梯形槽約束前、后墊片壓應力的變化。

當為0.9時(shí),由于梯形槽約束作用,約束壓縮時(shí)的真實(shí)壓應力為1.25MPa,較簡(jiǎn)單壓縮時(shí)提高9.65.為0.75時(shí),墊片壓應力從3.11MPa提高到5.58MPa,比簡(jiǎn)單壓縮時(shí)提高79.42.

壓縮比越小,傳熱板片的梯型槽對墊片橫向變形的約束作用越明顯,可顯著(zhù)提高墊片初始預緊力,有利于密封(雙道密封鋁隔條式中空玻璃的密封透氣性)。

2.3回彈階段

列出了在相同壓縮比條件下,簡(jiǎn)單壓縮時(shí)墊片回彈(簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)單回彈)過(guò)程中的真實(shí)壓應力測試值以及在約束壓縮后墊片回彈(簡(jiǎn)稱(chēng)約束回彈)時(shí)的真實(shí)壓應力。

為回彈階段,在梯形槽約束前、后,墊片壓應力的相對變化率,定義為簡(jiǎn)單壓縮、約束壓縮后墊片回彈的真實(shí)壓應力與簡(jiǎn)單回彈時(shí)壓應力比值。

可知,墊片回彈量逐漸增加時(shí),簡(jiǎn)單回彈、壓縮回彈條件下壓應力均隨之減小,其原因是梯形槽對墊片約束作用隨墊片回彈量增加而不斷減小。

可以看出,墊片壓縮量越大,約束壓縮與簡(jiǎn)單壓縮下的壓應力相差就越大,其原因是墊片變形越大,梯形槽對其約束作用不斷增強,反之,回彈變形量越大,二者的壓應力差值越小。此外,曲線(xiàn)1、曲線(xiàn)2反映的墊片壓縮、回彈變形途徑都不一致,說(shuō)明墊片在變形過(guò)程中具有時(shí)滯效應,但共同特點(diǎn)是回彈性階段墊片表面的真實(shí)應力要小于壓縮階段在同一壓縮比下的壓應力值。

3結論

(1)測試了具有菱形橫截面,材料為三元乙丙橡膠,硬度為邵氏80的板式換熱器密封墊片的16CPVT可拆卸板式換熱器墊片壓縮回彈性能試驗與分析壓縮回彈性能。揭示了板片中的梯形槽對墊片壓應力影響的規律。在梯形槽約束作用下,壓縮和回彈階段的墊片壓應力均明顯高于簡(jiǎn)單壓縮,其原因是墊片變形越大,梯形槽對其約束作用不斷增強。反之亦然。

(2)分別基于Mooney-Rivlin和Yeoh模型,當壓縮比大于0.75時(shí),推導出了可拆卸板式換熱器墊片在簡(jiǎn)單壓縮時(shí)的應力與壓縮比關(guān)系,為墊片厚度、預緊壓縮量以及夾緊螺栓尺寸和數量提供了設計依據。模擬結果較真實(shí)應力誤差小于5.

(3)簡(jiǎn)單壓縮和約束壓縮條件下,墊片的實(shí)際壓縮、回彈變形途徑并不一致,具有明顯的時(shí)滯效應,但共同特點(diǎn)是回彈性階段墊片表面的真實(shí)壓應力要小于壓縮階段在同一壓縮比下的真實(shí)壓應力值。

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