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熱結構分析

熱結構分析簡述

顧名思義就是利用現有的方法,對處於某種溫度載荷下的結構進行分析。

例如在有限元中,有很多方法來進行熱結構有限元分析的,其中也有很多軟件可以進行這方面的分析。例如NASTRAN(通常應用與航空領域)就有很好的熱結構分析功能。當然其分析精度也是很高的,但是這方面的專業性要求很大!目前這樣的專業人才主要集中在航天航空領域!有一批優秀的博士生在從事這方面的工作。

簡單舉例說明熱結構分析案例

如瞬態熱結構分析、集成線路板自由對流分析、電子產品強迫對流分析、熱接觸分析、航空電子設備熱流加熱分析、閉合空間熱輻射分析、空調流場下分析等等涉及到軍事、民用、工業等諸多方面的熱分析。這種利用數值模擬的方法再結合實際試驗所帶來的好處是很多的,能夠節約大量的研製試製成本,具有很好的指導作用。熱結構分析是求解溫度場對結構中應力、應變和位移等物理影響的分析。對於熱結構分析,在ANSYS中通常常用順序耦合分析,即先進行熱分析求得結構的溫度場,然後再進行結構分析。將前面求得的溫度場作為體載荷加到結構中,求解結構中的應力分佈。

從事熱工作的高水平分析人員

如哈工大航天學院複合材料研究所孫宏偉博士

浙江大學陳智化

航天院所等單位

詳解

結構力學中研究溫度的變化對結構的強度、剛度和承載能力的影響的一個領域。 20世紀中葉,隨著飛行器速度的提高,氣動加熱問題日趨嚴重;在核反應堆中,結構也處於載荷和高溫的聯合作用之下。受熱結構由於還受到約束或由於溫度場的不均勻而產生熱應力(見熱彈性力學),並可能由此導致結構破壞或產生大變形。分析這些問題時,必須考慮溫度因素。熱結構分析的研究內容主要有:  熱皺損薄壁結構在熱應力單獨作用下或熱應力和載荷應力的共同作用下發生的屈曲。熱應力和載荷應力都是壓應力時,總壓應力必然大於載荷壓應力;另一方面,升溫能降低材料的彈性模量(見材料的力學性能),從而降低材料的抗皺損能力。這兩方面因素都會促使皺損發生。對於棱柱形薄壁結構,升溫往往引起結構的彎曲皺損和扭轉皺損。熱皺損同常溫皺損一樣會使原結構變形並降低承載能力。

熱衝擊

結構中的熱應力短時間內大幅度變動的現象。衛星重返大氣層時與空氣劇烈摩擦使衛星表面溫度驟升,大尺寸金屬板淬火時突然冷卻,這些都能引起熱衝擊。熱衝擊能使結構產生應力波而導致破壞;突然冷卻會使結構表面劇烈收縮並產生強大的拉應力,使脆性材料結構產生裂紋。即使是塑性材料,也會因突然收縮而脆化,並發生斷裂。板殼結構的一側突然受熱,就會產生熱壓應力,另一側則產生拉應力。如果板殼結構的熱導率很小,則受熱表面高溫層很薄,熱壓應力的合力較小,較厚的低溫層只需以較小的拉應力與之平衡;如果材料熱導率較大,高溫層就較厚,較薄的低溫層中會產生較大的拉應力,容易造成受拉麵破壞;如果熱導率很大,則沿板殼法向的溫度梯度很小,出現幾乎是均勻膨脹的狀態,結構就不會破壞。

熱振動

結構由於具有慣性,在熱衝擊作用下會發生一定頻率的振動。結構中的溫度對結構的剛度、阻尼有很大的影響,因而也會影響振幅和頻率。在分析熱振動問題時,通常略去慣性力和應力對溫度的影響。在研究非線性振動時,必須考慮熱應變的影響。

熱疲勞

由溫度交替變化、溫度和載荷都交替變化或高溫下載荷交替變化引起的材料或結構的疲勞。一般情況下,溫度交替變化會引起結構內部的熱應力交替變化,從而導致疲勞。如果結構已承受恆定或交替變化的載荷,則溫度引起的熱應力和載荷應力疊加會加速結構的疲勞。如果溫度或載荷交替變化的幅度較大,則加溫和在一個方向加載引起的合應力會引起塑性變形,而降溫和在相反方向加載的合應力會引起反向塑性變形,這種反复的塑性變形會使結構迅速疲勞。對一個受交替變化載荷作用的結構,在多數情況下,適當增高溫度可延緩疲勞裂紋的擴展,但對過度老化、鬆弛、再結晶或高溫下延性降低的材料組成的結構,增高溫度常促使疲勞裂紋的擴展。


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