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[行业] 一文了解热变形和热应力

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阿斯米 发表于 2023-9-8 08:36:32 | 查看全部 阅读模式

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你知道热胀冷缩力为什么是非常可怕的吗?这就要从热变形和热应力的产生开始聊起。
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     当温度改变时,物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束,使其不能完全自由胀缩而产生的应力,又称变温应力。
其具有以下特点:
    1. 热应力随约束程度的增大而增大。由于材料的线膨胀系数、弹性模量与泊桑比随温度变化而变化,热应力不仅与温度变化量有关,而且受初始温度的影响。
     2. 热应力与零外载相平衡,是由热变形受约束引起的自平衡应力,在温度高处发生压缩,温度低处发生拉伸形变。
     3. 热应力具有自限性,屈服流动或高温蠕变可使热应力降低。对于塑性材料,热应力不会导致构件断裂,但交变热应力有可能导致构件发生疲劳失效或塑性变形累积。
     实际上,对于大多数问题而言,结构的变形或应力对温度的分布影响较小,忽略结构变形对温度分布的影响,将温度视为一种载荷在大多数情况下是合理的。
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     对于大多数材料而言,升温引起膨胀,降温引起收缩;我们假设应变于温度呈线性关系,且只引起正应变而不引起剪应变,即:
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     若材料是各向同性的,则:
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     若热膨胀系数不随温度变化或有微小变化,则可视为常值。
     由此可见,实际上我们将应变与温度形成了一组线性的本构关系,因此热膨胀系数就作为材料的一个基本参数。
     热应力的原理比较简单,就上述这个应变和温度的关系式,之后的分析与之前的弹性力学分析没有本质区别。
热应力相关问题
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     就分析原理而言,热应力分析和常规结构分析没有什么特别之处,但自身也有如下特点:
温度场的传递有通过标准给出,或估计给出大致分布,也有通过热分析将结果通过网格模型传递;对于没有位移约束,或不存在过约束的单一材料结构,温度场引起热变形,但不产生热应力,即通常说的自由热胀冷缩;对于过约束结构,由于强制边界的存在,温度场引起的热应变转为热应力,进而在强制边界上产生约束反力;不同材料热膨胀系数不同,温度变化产生热变形和热应力;温度分布不均匀产生热应力。

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     热变形和热应力可能对系统产生不利的影响,一般原则上有几种措施:
分析需要消除的是变形还是应力,如土木领域的温度缝则是通过放松约束减缓热应力,而加强约束和结构刚度则可减少热变形;通过隔热保温等措施降低温度载荷,同时注意减小温度分布的不均匀性;匹配不同材料的热膨胀系数,避免相邻材料的热膨胀系数差异过大。案例演示

     热应力产生是出现限制膨胀的因素,举个简单例子演示一下,随意画两个零件,图1为两个零件接触为默认绑定接触,图2为两个零件之间无摩擦接触。
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图1 接触默认
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图2 接触为无摩擦
     根据截图可以非常明显看出,绑定约束限制住热膨胀变形,应力集中,而把接触修改为无摩擦接触后,应力集中现象没有了。
思考

     热应力集中很多时候是发生在约束位置,实际产品中往往会放个热膨胀吸收大一些的材料,避免产生热应力集中现象。
      然而在进行结构有限元分析时,结构约束位置只有结构连接孔,这时如果用固定约束显然是不合适的,那么要如何处理呢?你思考过吗?来源:泊松比更多动态,请关注我们官方网站:www.tuxren.com,或者关注我们的微信、抖音、快手等平台:asmecn,小编微信号: ,也欢迎大家前来投稿。
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评论1

magic_xljLv.3 发表于 2023-9-8 08:48:25 | 查看全部
前排学习!前排学习!
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