Stress analysis of finned tubes subjected to die expansion

Zhao, Zijian (2023). Stress analysis of finned tubes subjected to die expansion. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this study, an analytical approach is developed to estimate the force required to expand tubes for different die shapes. The stress distribution in the contact and transition zones is estimated using the analytical approach based on a combined Prandtl Reuss flow rule and self-adaption of the stress strain curve. The driving force is predicted based on the transition and contact zone information. This new approach greatly reduces the difficulty of the analysis and simplifies the calculation.

The approach is validated using four different numerical axisymmetric finite element models of different sizes, materials, and die shapes subjected to push and pull of the die. Additionally, stainless steel and copper 3/8 in. diameter tubes are expanded with an oval die in an experimental test bench under both push and pull conditions. The tangential and longitudinal strains and driving force are monitored and recorded during the expansion process. The results from the three approaches show a very good agreement.

This research work also investigates the elastics-plastic behavior and estimates the residual stress state of tubes subjected to the die expansion process. The stresses and deformations of the expanded SS316L tube are analyzed numerically using the finite element method. The expansion and contraction processes are modeled considering elastic-plastic material behavior for different die sizes. The maximum longitudinal, tangential and contact stresses are evaluated to verify the critical stress state of the joint during the expansion process. The importance of the material behavior in evaluating the residual stresses using kinematic and isotropic hardening is addressed. Finally, an experiment is conducted to assess the tangential and longitudinal strains of a 3/8 stainless steel subjected to expansion with an oval shape die.

Last, the quality of the fin-to-tube assembly is investigated as it is a common type of connection in heat exchangers. During the assembly process, a die or an expander is used to expand the tube and close the gap between the tube and the fin collar for improved heat transfer. The amounts of interference and contact area created depend on both the radial expansion from the die and initial gap, as well as the shape of the fin contact area with the tube before expansion. However, recent research has revealed that the contact adhesion between the surfaces is not consistent across the width. This results in a reduction of heat transfer through conduction and a compromise of the heat exchanger efficiency.

The objective of this last part of the research work is to establish a relationship between the fin hole profile shape and contact quality and to provide suggestions for enhancing the tube-to-fin connection. The simulations involve tubes made of various materials, dies of different sizes, and fins with hourglass-shaped collars, all of which are assessed using finite element models. The size of the micro gaps at the tube-to-fin interface is used to determine the quality of the contact surface, while a local transient thermal contact FEA model are used to assess the contact thermal conductive performance in the presence of micro-gaps.

Titre traduit

Analyse des contraintes des tube à ailettes soumis à l’extrusion avec filière

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 125-128).
Mots-clés libres:	méthode d'auto-adaptation du matériau, fondation élastique de la poutre, comportement du matériau élasto-plastique, plastification inverse, contact ailette-tube, microespace, analyse thermique transitoire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 janv. 2024 18:47
Dernière modification:	12 janv. 2024 18:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3329

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