MECCANICA DI FRATTURA PER SCAMBIATORE DI CALORE A PIASTRE GUARNIZIONE-1
Astratto
Uno scambiatore di calore a piastre è costituito da un numero di piastre ondulate sottili con aperture per due fluidi di scambio termico. Le piastre sono riunite in una pila con una guarnizione di gomma tra ciascuna piastra. A causa della pressione di assemblaggio e dell'alta temperatura operativa nello scambiatore di calore a piastre, le guarnizioni a volte tendono a rompersi.
Questo lavoro valuta e implementa i modelli di frattura per la gomma nelle applicazioni FE. Ciò include l'esecuzione di test di laboratorio per determinare le caratteristiche del materiale per due materiali in gomma, supportando e anche verificando simulazioni FE. Vengono presentati esperimenti con campioni di prova di taglio puro e il metodo di prova di taglio puro riflette la vera condizione nel pozzetto della guarnizione.
The tearing energy criterion is thoroughly evaluated and concluded not valid for crack lengths less than 5mm. Hence, the presence of small scale cracks (material irregularities) of approximately 50μm are not supported by the tearing energy criterion or by any other fracture criterion evaluated in this work.
Stress analyses of an EPDM gasket are performed in ABAQUS, showing that the maximum principal Cauchy-stress reaches a level of 9.5MPa at a temperature of 130°C. Hence, the material strength is exceeded and fracture mechanics is ruled out as a major factor influencing rupture of gaskets.
1 Background
In a plate heat exchanger, the gasket and plate material along with the geometric shape of the gasket and the gasket groove geometry are critical factors for the performance of the plate heat exchanger. In order to improve sealing characteristics and also reduce time in the design process, Alfa Laval has started to use finite element analysis as a tool in development of new designs and for modification of existing products.
This master thesis is a continuance of a previous master thesis, FE-analysis on a plate heat exchanger gasket [6]. Concluding remarks in that work established that the levels of stresses not alone could make the gaskets collapse. Explanations of gasket failure are therefore sought elsewhere, investigating whether fracture mechanics is a prime factor in the solution to the problem.
2 Rubber elasticity
Questo capitolo è basato sulla tesi Modeling of Elasticity and Damping for Filled Elastomers scritta da P. -E. Austrell, [2].
Le gomme sono materiali altamente non lineari e non è possibile applicare la semplice relazione elastica sforzo-deformazione lineare con un modulo E di Young costante. È quindi necessario descrivere il comportamento materiale usando qualche altro modello matematico, in particolare la proprietà elastica. La relazione costitutiva per un materiale iperelastico è, oltre che un materiale elastico lineare, definita come una relazione tra stress totale e deformazione totale.
La densità di energia della deformazione svolge quindi un ruolo centrale nella definizione della relazione costitutiva per i materiali in gomma. Le sollecitazioni sono determinate dai derivati della funzione di densità energetica di deformazione W, che è una funzione degli invarianti di deformazione
Due forme comuni della funzione di energia di deformazione W, implementate nella maggior parte dei programmi generali sugli elementi finiti sono il modello Neo-Hooke, ovvero
e il modello Yeoh, vale a dire
I parametri elastici C10, C20, C30 sono le costanti che descrivono il comportamento del materiale iperelastico in FEanalyses.
