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板式热交换器橡胶垫片非线性接触密封性能有限元分析

发布日期:2021-12-22 14:09浏览次数:

摘 要:利用Ansys软件对板式热交换器橡胶垫片的力学特性进行有限元分析,通过对板片槽截面形状、橡胶垫片截面形状和厚度以及摩擦系数与介质压力载荷对密封性能的影响分析,得出橡胶垫片的Mises等效应力和接触应力随着介质工作压力升高而增大,适当增大摩擦系数能提高橡胶垫片接触应力和Mises等效应力,为橡胶垫片的结构设计提供相关参考。

关键词:板式热交换器;橡胶垫片;板片;密封性能;有限元分析

0 引 言

板式热交换器主要有板片、橡胶垫片和框架组成。板片通常采用不锈钢、钛板、镍板等材料压制成形,板片厚度一般在0.4~0.7 mm之间;橡胶垫片材质通常由三元乙丙、丁腈、氟等材质;橡胶垫片截面与板片密封槽截面相匹配以实现密封[1]。热交换器厂家通常是板厚与压力相关,但橡胶垫片厚度及截面形状唯一,这就造成所有胶垫设计按最高压力等级进行设计,并且国内热交换器厂家胶垫厚度较国外普遍偏厚,导致结果是在板厚0.4~0.5 mm范围板片密封槽变形严重,且橡胶垫片更容易老化而缩短使用寿命[2]。据统计,板式热交换器95%的泄漏问题都发生在橡胶垫片密封性能差。由于橡胶垫片材质为非线性材料,而橡胶垫片的设计长期依赖于工程人员经验,缺乏有效数据支撑。

笔者利用ANSYS软件分析橡胶垫片截面对接触密封性能[3]的影响,包括橡胶垫片截面与板片密封槽截面形式对接触应力和橡胶压缩力的影响,摩擦系数、介质工作压力载荷对接触应力影响。以期为板式热交换器橡胶垫片的设计与优化提供理论指导。

1 计算模型及边界条件1.1 橡胶垫片材料

橡胶材料属于超弹性非线性材料,非线性主要表现在三个方面:①状态非线性,由于接触状态的不确定造成了状态非线性;②几何非线性,橡胶在力的作用下,一般伴随着大位移、大应变,位移和应变关系呈现非线性;③材料非线性,橡胶材料不能简单地作为线弹性体来处理。因此对非线性分析做如下假设:①材料具有确定的弹性模量和泊松比;②材料为不可压缩体(压缩过程体积不变);③压缩边界(接触板片)简化为刚体边界[4]

本文橡胶材料采用丁腈橡胶(NBR),采用Mooney-Rivlin模型,查阅相关资料,取橡胶硬度73,C1=1.87,C2=0.47,密度1.2 g/cm3,泊松比μ=0.499,由于接触板片材料弹性模量远远小于橡胶垫片,可假定接触板片为刚体[5]

1.2 物理模型

板式热交换器单张板片与橡胶垫片装配如图1所示,简称带垫板片,板式热交换器芯体是由多片带垫板片相互叠加组成,考虑到非线性求解复杂性及网格划分方便,将板片截面进行简化处理,并模将型简化成二维平面结构如图2所示。

板式热交换器橡胶垫片非线性接触密封性能有限元分析

图1 单张板片和橡胶 图2 二维平面结构计
垫片装配图 算模型

本文分析从四个方面进行分析,见表1。

(1) 板片槽截面分析,研究直通型板片、半高型板片、全高型板片,如图3所示。

(2) 橡胶垫片截面形状分析,研究梯形截面、弧形截面、多边形截面、梯形带线密封截面,如图4所示。

(3) 橡胶垫片截面厚度分析,研究橡胶垫片厚度的变化规律。

(4) 摩擦系数与压力载荷分析,以5.5 mm厚度梯形截面和4 mm波深板片组合,分别施加0 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa,2.5 MPa、3.0 MPa的介质压力(选取压力数值与行业标准压力等级相对应),接触摩擦系数在0.1~0.6范围内,分析接触应力变化规律。

表1 分析设计参数

板式热交换器橡胶垫片非线性接触密封性能有限元分析

注:厚度压缩比=(胶垫厚度-板片厚度)/胶垫厚度×100%,面积压缩比=(胶垫截面积-板片截面积)/胶垫截面积×100%

板式热交换器橡胶垫片非线性接触密封性能有限元分析

图3 板片槽截面

板式热交换器橡胶垫片非线性接触密封性能有限元分析

图4 橡胶垫片截面

1.3 接触方式

橡胶垫片与板片接触采用线-线接触,橡胶垫片接触壁为接触线,板片接触壁为目标线,接触摩擦系数除1.2中分析(4)按0.1~0.6变化取值为,其余分析均按0.6取值。接触算法采用增强的拉格朗日算法,将法向刚度系数设置为2,法向刚度更新为每个子步。

1.4 网格处理

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