Stress analysis of finned tubes subjected to die expansion

Résumé

Dans cette étude, une approche analytique est développée pour estimer la force nécessaire pour extruder les tubes avec différentes formes de filières. La répartition des contraintes dans les zones de contact et de transition est estimée à l'aide d'une approche analytique basée sur une combinaison de la loi d'évolution de Prandtl Reuss et de l’auto-adaptation de la courbe contrainte-déformation. La force d’extrusion est prédite sur la base des informations des zones de transition et de contact. Cette nouvelle approche réduit considérablement la difficulté de l'analyse et simplifie le calcul. L'approche est validée à l'aide de quatre modèles numériques d'éléments finis axisymétriques de différentes tailles, matériaux et formes de filières soumis à une extrusion par poussée et traction. De plus, des tubes en acier inoxydable et en cuivre de 3/8 po de diamètre ont été extrudés avec une filière ovale dans un banc d'essai expérimental dans les deux conditions de poussée et de traction. Les déformations circonférentielles et longitudinales et la force d’extrusion sont surveillées et enregistrées pendant le processus d'expansion. Les résultats des trois approches montrent un très bon accord. Ce travail de recherche étudie également le comportement élasto-plastique et estime l'état des contraintes résiduelles des tubes soumis au processus d'expansion de la filière. Les contraintes et les déformations des tubes en inox et en cuivre expansés sont analysées numériquement à l'aide de la méthode des éléments finis. Le processus d'expansion et de contraction est modélisé en tenant compte du comportement du matériau élasto-plastique des tubes de différentes grandeur. Les contraintes longitudinales, tangentielles et de contact maximales sont évaluées pour vérifier l'état de contrainte critique des tubes à ailettes pendant le processus d'expansion. L'importance du comportement du matériau dans l'évaluation des contraintes résiduelles par écrouissage cinématique et isotrope est abordée. Enfin, une expérience a été menée pour évaluer les déformations tangentielles et longitudinales d'un acier inoxydable de diamètre 3/8 soumis à une expansion avec une filière de forme ovale. Enfin, la qualité de l'assemblage tube à ailettes est étudiée car il s'agit d'un type de connexion courant dans les échangeurs de chaleur. Pendant le processus d'assemblage, une filière ou un mandrin est utilisé pour élargir le tube et fermer l'espace entre le tube et le collier d'ailette pour un meilleur transfert de chaleur. Le niveau d'interférence et la zone de contact créées dépendent à la fois de l'expansion radiale de la filière et du jeu initial, ainsi que de la forme de la zone de contact de l'ailette avec le tube avant l'expansion. Cependant, des recherches récentes ont révélé que le contact entre les surfaces n'est pas constant sur toute la largeur. Il en résulte un transfert de chaleur réduit par conduction et un compromis sur l'efficacité de l'échangeur de chaleur. L'objectif de cette dernière partie du travail de recherche est d'établir une relation entre la forme du profil du trou d'ailette et la qualité du contact et de fournir des suggestions pour améliorer la connexion tube-ailette. Les simulations impliqueront des tubes faits de divers matériaux, des matrices de différentes tailles et des ailettes avec des colliers en forme de sablier, qui seront évalués à l'aide de modèles d'éléments finis. La taille des micro-espaces générés à l'interface tube-ailette sera utilisée pour déterminer la qualité de la surface de contact, tandis qu'un modèle FEA de contact thermique transitoire local sera utilisé pour évaluer les performances de conduction thermique du contact en présence de ces micro-espaces.

Date	12 sept. 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Hakim A. Bouzid (Directeur(-trice))