一文了解热变形和热应力

阿斯米

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。

     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。

     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。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。

图1 接触默认

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.asimi8.com，或者关注我们的微信、抖音、快手等平台：asmecn，小编微信号:asimi888，也欢迎大家前来投稿。
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