板式換熱設施效能的試驗與探討
點擊次數：?? 更新時間:2018-07-06?? ??【關閉】
分析橡膠密封力學性能時，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系，并通過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行單軸拉伸測試，通過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系，數值模擬了橡膠支座的應力大小；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、應變大小；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，這對于設計產品的密封結構具有重要參考價值。
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相同。
此試驗以下稱約束壓縮回彈。
2試驗結果分析
2.1簡單壓縮
假設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）利用真實應力與S之間的關系，得到墊片在變形后的真實應力表達式：=-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。為真實應力張量。
簡單壓縮時，墊片表面只在一個方向有真實壓應力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）可簡化為：1=2（2-1）（WI1 WI21）（7）工程實際中，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的真實壓應力1與名義壓應力e關系為：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，Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型預測sp誤差值都小于5.示出了墊片簡單壓縮時的真實應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，墊片真實壓應力的相對變化率，定義為分別在約束壓縮、簡單壓縮條件下壓應力差值與簡單壓縮應力的比值，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，由于梯形槽約束作用，約束壓縮時的真實壓應力為1.25MPa，較簡單壓縮時提高9.65.為0.75時，墊片壓應力從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）過程中的真實壓應力測試值以及在約束壓縮后墊片回彈（簡稱約束回彈）時的真實壓應力。
r為回彈階段，在梯形槽約束前、后，墊片壓應力的相對變化率，定義為簡單壓縮、約束壓縮后墊片回彈的真實壓應力與簡單回彈時壓應力比值。
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，但共同特點是回彈性階段墊片表面的真實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，推導出了可拆卸板式換熱器墊片在簡單壓縮時的應力與壓縮比關系，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。模擬結果較真實應力誤差小于5.
（3）簡單壓縮和約束壓縮條件下，墊片的實際壓縮、回彈變形途徑并不一致，具有明顯的時滯效應，但共同特點是回彈性階段墊片表面的真實壓應力要小于壓縮階段在同一壓縮比下的真實壓應力值。
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