MECÂNICA DA FRATURA PARA UMA JUNTA DE TROCADOR DE CALOR-1
Resumo
Um trocador de calor de placas consiste em várias chapas onduladas finas com aberturas para dois fluidos de troca de calor. As placas são colocadas juntas em uma pilha com uma junta de borracha entre cada placa. Devido à pressão de montagem e à alta temperatura de operação no trocador de calor de placas, as juntas às vezes tendem a rachar.
Este trabalho avalia e implementa modelos de fratura para borracha em aplicações de FE. Isso inclui a realização de testes de laboratório para determinar as características do material para dois materiais de borracha, suportando e também verificando simulações de FE. São apresentadas experiências usando amostras de teste de cisalhamento puro e o método de teste de cisalhamento puro reflete a verdadeira condição no poço da gaxeta.
O critério da energia de ruptura é minuciosamente avaliado e concluído não válido para comprimentos de trincas inferiores a 5 mm. Portanto, a presença de trincas em pequena escala (irregularidades do material) de aproximadamente 50μm não é suportada pelo critério de energia de rasgo ou por qualquer outro critério de fratura avaliado neste trabalho.
As análises de tensão de uma junta de EPDM são realizadas no ABAQUS, mostrando que a tensão de Cauchy principal máxima atinge um nível de 9,5MPa a uma temperatura de 130 ° C. Portanto, a resistência do material é excedida e a mecânica da fratura é descartada como um fator importante que influencia a ruptura das juntas.
1. Fundo
Em um trocador de calor de placas, a junta e o material da placa, juntamente com a forma geométrica da junta e a geometria da ranhura da junta, são fatores críticos para o desempenho do trocador de calor de placas. Para melhorar as características de vedação e também reduzir o tempo no processo de projeto, a Alfa Laval começou a usar a análise de elementos finitos como uma ferramenta no desenvolvimento de novos projetos e na modificação de produtos existentes.
Esta tese de mestrado é uma continuação de uma tese de mestrado anterior, análise FE em uma junta do trocador de calor de placas [6]. As observações finais desse trabalho estabeleceram que os níveis de tensão não sozinhos poderiam causar o colapso das juntas. Portanto, buscam-se explicações sobre falha da junta, investigando se a mecânica da fratura é um fator primordial na solução do problema.
2 elasticidade de borracha
Este capítulo é baseado na tese Modelagem de elasticidade e amortecimento para elastômeros preenchidos, escrita por P. -E. Austrell, [2].
As borrachas são materiais altamente não lineares e a simples relação de tensão-deformação elástica linear com um módulo E de Young constante não pode ser aplicada. Portanto, é necessário descrever o comportamento do material usando outro modelo matemático, particularmente a propriedade elástica. A relação constitutiva de um material hiperelástico é, assim como um material elástico linear, definido como uma relação entre tensão total e tensão total.
A densidade da energia de deformação desempenha um papel central na definição da relação constitutiva dos materiais de borracha. As tensões são determinadas por derivadas da função de densidade de energia da deformação W, que é uma função dos invariantes da deformação
Duas formas comuns da função de energia de deformação W, implementadas na maioria dos programas gerais de elementos finitos, são o modelo Neo-Hooke, ou seja,
e o modelo Yeoh, ou seja,
Os parâmetros elásticos C10, C20, C30 são as constantes que descrevem o comportamento do material hiperelástico nas análises da FE.
