MECÁNICA DE FRACTURA PARA UNA INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACA JUNTA-1
Resumen
Un intercambiador de calor de placas consta de varias placas delgadas y corrugadas con aberturas para dos fluidos de intercambio de calor. Las placas se unen en una pila con una junta de goma entre cada placa. Debido a la presión de montaje y a la alta temperatura de funcionamiento en el intercambiador de calor de placas, las juntas a veces tienden a agrietarse.
Este trabajo evalúa e implementa modelos de fractura para caucho en aplicaciones FE. Esto incluye realizar pruebas de laboratorio para determinar las características del material para dos materiales de caucho, respaldar y también verificar simulaciones FE. Se presentan experimentos que utilizan muestras de prueba de corte puro y el método de prueba de corte puro refleja la verdadera condición en el pozo de la junta.
El criterio de energía de desgarro se evalúa exhaustivamente y se concluye que no es válido para grietas de menos de 5 mm de longitud. Por lo tanto, la presencia de grietas a pequeña escala (irregularidades del material) de aproximadamente 50 μm no está respaldada por el criterio de energía de desgarro ni por ningún otro criterio de fractura evaluado en este trabajo.
Los análisis de tensión de una junta de EPDM se realizan en ABAQUS, lo que demuestra que la tensión de Cauchy principal máxima alcanza un nivel de 9.5MPa a una temperatura de 130 ° C. Por lo tanto, se excede la resistencia del material y se descarta la mecánica de fractura como un factor importante que influye en la ruptura de las juntas.
1. Antecedentes
En un intercambiador de calor de placas, la junta y el material de la placa junto con la forma geométrica de la junta y la geometría de la ranura de la junta son factores críticos para el rendimiento del intercambiador de calor de placas. Con el fin de mejorar las características de sellado y también reducir el tiempo en el proceso de diseño, Alfa Laval ha comenzado a utilizar el análisis de elementos finitos como una herramienta en el desarrollo de nuevos diseños y para la modificación de productos existentes.
Esta tesis maestra es una continuación de una tesis maestra previa, análisis FE en una junta de intercambiador de calor de placas [6]. Las observaciones finales en ese trabajo establecieron que los niveles de estrés no solo podrían hacer colapsar las juntas. Por lo tanto, se buscan explicaciones de la falla de la junta en otro lugar, investigando si la mecánica de fractura es un factor primordial en la solución del problema.
2 elasticidad de goma
Este capítulo se basa en la tesis Modelado de Elasticidad y Amortiguación para Elastómeros Rellenos escrita por P. -E. Austrell, [2].
Los cauchos son materiales altamente no lineales y no se puede aplicar la relación lineal simple tensión-deformación elástica con un módulo E de Young constante. Por lo tanto, es necesario describir el comportamiento del material utilizando algún otro modelo matemático, particularmente la propiedad elástica. La relación constitutiva para un material hiperelástico es, así como un material elástico lineal, definido como una relación entre la tensión total y la tensión total.
La densidad de energía de deformación juega un papel central en la definición de la relación constitutiva de los materiales de caucho. Las tensiones están determinadas por derivados de la función de densidad de energía de tensión W, que es una función de los invariantes de tensión.
Dos formas comunes de la función de energía de deformación W, implementada en la mayoría de los programas generales de elementos finitos son el modelo Neo-Hooke, es decir
y el modelo Yeoh, es decir
Los parámetros elásticos C10, C20, C30 son las constantes que describen el comportamiento del material hiperelástico en los análisis FE.
