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深入探討板式換熱器實(shí)施效能
分析橡膠密封力學(xué)性能時，常將其假設(shè)為超彈性材料，應(yīng)力為應(yīng)變能密度函數(shù)對應(yīng)變的導(dǎo)函數(shù)。文獻(xiàn)建立了橡膠材料本構(gòu)關(guān)系，并通過工程測試得到了材料常數(shù)；文獻(xiàn)基于Mooney-Rivlin模型，數(shù)值模擬了X形截面橡膠密封圈的應(yīng)力分布；文獻(xiàn)對硅橡膠材料進(jìn)行單軸拉伸測試，通過擬合處理得到材料常數(shù)，并模擬了O形橡膠密封圈在操作條件下的應(yīng)力與變形；文獻(xiàn)數(shù)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(yàn)分析了橡膠硬度與材料常數(shù)關(guān)系，數(shù)值模擬了橡膠支座的應(yīng)力大小；針對U形管換熱器法蘭墊片，分別數(shù)值模擬了預(yù)緊條件、操作條件下的墊片應(yīng)力、應(yīng)變大?。焕么笞冃蜗鹉z理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到丁腈橡膠在Mooney-Rivlin和Yeoh模型下的材料常數(shù)。
橡膠材料力學(xué)性能受形狀影響很大，上述文獻(xiàn)報(bào)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(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，揭示了梯形槽對墊片密封壓力影響的規(guī)律，這對于設(shè)計(jì)產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)具有重要參考價值。
一、墊片壓縮回彈性能試驗(yàn)
1.1試驗(yàn)裝置與試件
試驗(yàn)加載系統(tǒng)為MTS-2.5噸材料性能試驗(yàn)機(jī)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(jié)構(gòu)尺寸。
1.2試驗(yàn)內(nèi)容
試驗(yàn)包含兩部分：（1）常溫下，墊片簡單壓縮回彈。將橫截面為菱形的密封墊片水平放置在剛性平板上，通過固定在試驗(yàn)機(jī)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(shè)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(yàn)以下稱簡單壓縮回彈；（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(yàn)相同。
此試驗(yàn)以下稱約束壓縮回彈。
二、分析結(jié)果
2.1簡單壓縮
假設(shè)板式換熱器橡膠墊片屬于超彈性材料，3個主方向的厚度與壓縮前墊片的初始厚度之比，也稱為壓縮比。綜合式（1）、（2）得：S=2WC=2[（WI1 I1WI2）I-WI2C I3WI3C-1]（4）利用真實(shí)應(yīng)力與S之間的關(guān)系，得到墊片在變形后的真實(shí)應(yīng)力表達(dá)式：=-pI 2[WI1B-WI2B-1]（5）主應(yīng)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(yīng)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(yīng)力張量。
簡單壓縮時，墊片表面只在一個方向有真實(shí)壓應(yīng)力1，又因?yàn)橄鹉z材料具有不可壓縮性，設(shè)1=，則有：2=3=1，則式（6）可簡化為：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(yù)緊壓縮量一般為墊片初始厚度的1535，壓縮變形過程中，墊片瞬時受力面積要大于初始受力面積。分別以瞬時受力面積和初始受力面積為基準(zhǔn)的真實(shí)壓應(yīng)力1與名義壓應(yīng)力e關(guān)系為：1=e在Mooney-Rivlin模型中應(yīng)變能密度函數(shù)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(yīng)變能密度函數(shù)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(shù)值C10，C01，C20，C30，得到的兩模型擬合應(yīng)力值如所示。
當(dāng)壓縮比大于0.75時，Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型預(yù)測sp誤差值都小于5.示出了墊片簡單壓縮時的真實(shí)應(yīng)力測試值以及利用模型擬合的曲線。Yeoh模型擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yīng)力的相對變化率，定義為分別在約束壓縮、簡單壓縮條件下壓應(yīng)力差值與簡單壓縮應(yīng)力的比值，用于反映在梯形槽約束前、后墊片壓應(yīng)力的變化。
當(dāng)為0.9時，由于梯形槽約束作用，約束壓縮時的真實(shí)壓應(yīng)力為1.25MPa，較簡單壓縮時提高9.65.為0.75時，墊片壓應(yīng)力從3.11MPa提高到5.58MPa，比簡單壓縮時提高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，可顯著提高墊片初始預(yù)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，簡單壓縮時墊片回彈（簡稱簡單回彈）過程中的真實(shí)壓應(yīng)力測試值以及在約束壓縮后墊片回彈（簡稱約束回彈）時的真實(shí)壓應(yīng)力。
r為回彈階段，在梯形槽約束前、后，墊片壓應(yīng)力的相對變化率，定義為簡單壓縮、約束壓縮后墊片回彈的真實(shí)壓應(yīng)力與簡單回彈時壓應(yīng)力比值。
可知，墊片回彈量逐漸增加時，簡單回彈、壓縮回彈條件下壓應(yīng)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，約束壓縮與簡單壓縮下的壓應(yīng)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(qiáng)，反之，回彈變形量越大，二者的壓應(yīng)力差值越小。此外，曲線1、曲線2反映的墊片壓縮、回彈變形途徑都不一致，說明墊片在變形過程中具有時滯效應(yīng)，但共同特點(diǎn)是回彈性階段墊片表面的真實(shí)應(yīng)力要小于壓縮階段在同一壓縮比下的壓應(yīng)力值。
三、結(jié)論
?。?）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(yàn)與分析壓縮回彈性能。揭示了板片中的梯形槽對墊片壓應(yīng)力影響的規(guī)律。在梯形槽約束作用下，壓縮和回彈階段的墊片壓應(yīng)力均明顯高于簡單壓縮，其原因是墊片變形越大，梯形槽對其約束作用不斷增強(qiáng)。反之亦然。
（2）分別基于Mooney-Rivlin和Yeoh模型，當(dāng)壓縮比大于0.75時，推導(dǎo)出了可拆卸板式換熱器墊片在簡單壓縮時的應(yīng)力與壓縮比關(guān)系，為墊片厚度、預(yù)緊壓縮量以及夾緊螺栓尺寸和數(shù)量提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。模擬結(jié)果較真實(shí)應(yīng)力誤差小于5.
?。?）簡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，具有明顯的時滯效應(yīng)，但共同特點(diǎn)是回彈性階段墊片表面的真實(shí)壓應(yīng)力要小于壓縮階段在同一壓縮比下的真實(shí)壓應(yīng)力值。
注：以上為蘇州工業(yè)園區(qū)博格傳熱技術(shù)有限公司整理編寫所得。未經(jīng)允許，不得轉(zhuǎn)載。
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