结构力学中的热应力分析—— 热应力分析原理

蹦跶哒

引言

热胀冷缩是一种常见的物理现象，由于物体升/降温或温度分布不均匀，会发生变形和产生热应力；本文将对热应力分析进行简单介绍。

工程中的热应力问题

随着工业技术的高速发展，由于温度不均匀或热膨胀系数不一致，引起的热应力和变形问题，已成为某些工程中的重大难题，其主要表现在：
  · 锅炉、化工机械在运行过程中产生高温引起的热应力；
  · 加工及工艺过程中由于高温—冷却产生的热应力；
  · 大型水利工程和土木工程中由于气温或太阳辐射产生的温度变形及热应力；
  · 温度变形对精密仪器的影响；
  · 汽车、飞机产生的高温引起的热应力；
  · 卫星穿越日照区和阴影区时产生的热致振动；
  · 由于器件发热，材料属性不一致产生的热应力。

热应力分析

原则上说，由于温度变化引起结构变形，而结构变形可能引起温度分布发生变化，此问题为耦合场问题；有关耦合场分析后续会开展讨论，本文主要讨论热单向对结构的作用，即把温度看做一种结构载荷进行分析。

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。

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：

若材料是各向同性的，则：

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

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。

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。