你知道熱脹冷縮力為什么是非常可怕的嗎？這就要從熱變形和熱應(yīng)力的產(chǎn)生開始聊起。
當(dāng)溫度改變時(shí)，物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，又稱變溫應(yīng)力。
其具有以下特點(diǎn)：
1. 熱應(yīng)力隨約束程度的增大而增大。由于材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量與泊桑比隨溫度變化而變化，熱應(yīng)力不僅與溫度變化量有關(guān)，而且受初始溫度的影響。
2. 熱應(yīng)力與零外載相平衡，是由熱變形受約束引起的自平衡應(yīng)力，在溫度高處發(fā)生壓縮，溫度低處發(fā)生拉伸形變。
3. 熱應(yīng)力具有自限性，屈服流動(dòng)或高溫蠕變可使熱應(yīng)力降低。對于塑性材料，熱應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件斷裂，但交變熱應(yīng)力有可能導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生疲勞失效或塑性變形累積。
實(shí)際上，對于大多數(shù)問題而言，結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)力對溫度的分布影響較小，忽略結(jié)構(gòu)變形對溫度分布的影響，將溫度視為一種載荷在大多數(shù)情況下是合理的。
對于大多數(shù)材料而言，升溫引起膨脹，降溫引起收縮；我們假設(shè)應(yīng)變于溫度呈線性關(guān)系，且只引起正應(yīng)變而不引起剪應(yīng)變，即：
若材料是各向同性的，則：
若熱膨脹系數(shù)不隨溫度變化或有微小變化，則可視為常值。
由此可見，實(shí)際上我們將應(yīng)變與溫度形成了一組線性的本構(gòu)關(guān)系，因此熱膨脹系數(shù)就作為材料的一個(gè)基本參數(shù)。
熱應(yīng)力的原理比較簡單，就上述這個(gè)應(yīng)變和溫度的關(guān)系式，之后的分析與之前的彈性力學(xué)分析沒有本質(zhì)區(qū)別。
熱應(yīng)力相關(guān)問題
就分析原理而言，熱應(yīng)力分析和常規(guī)結(jié)構(gòu)分析沒有什么特別之處，但自身也有如下特點(diǎn)：
溫度場的傳遞有通過標(biāo)準(zhǔn)給出，或估計(jì)給出大致分布，也有通過熱分析將結(jié)果通過網(wǎng)格模型傳遞；
對于沒有位移約束，或不存在過約束的單一材料結(jié)構(gòu)，溫度場引起熱變形，但不產(chǎn)生熱應(yīng)力，即通常說的自由熱脹冷縮；
對于過約束結(jié)構(gòu)，由于強(qiáng)制邊界的存在，溫度場引起的熱應(yīng)變轉(zhuǎn)為熱應(yīng)力，進(jìn)而在強(qiáng)制邊界上產(chǎn)生約束反力；
不同材料熱膨脹系數(shù)不同，溫度變化產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力；
溫度分布不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力。
熱變形和熱應(yīng)力可能對系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，一般原則上有幾種措施：
分析需要消除的是變形還是應(yīng)力，如土木領(lǐng)域的溫度縫則是通過放松約束減緩熱應(yīng)力，而加強(qiáng)約束和結(jié)構(gòu)剛度則可減少熱變形；
通過隔熱保溫等措施降低溫度載荷，同時(shí)注意減小溫度分布的不均勻性；
匹配不同材料的熱膨脹系數(shù)，避免相鄰材料的熱膨脹系數(shù)差異過大。
案例演示
熱應(yīng)力產(chǎn)生是出現(xiàn)限制膨脹的因素，舉個(gè)簡單例子演示一下，隨意畫兩個(gè)零件，圖1為兩個(gè)零件接觸為默認(rèn)綁定接觸，圖2為兩個(gè)零件之間無摩擦接觸。
圖1 接觸默認(rèn)
圖2 接觸為無摩擦
根據(jù)截圖可以非常明顯看出，綁定約束限制住熱膨脹變形，應(yīng)力集中，而把接觸修改為無摩擦接觸后，應(yīng)力集中現(xiàn)象沒有了。
思考
熱應(yīng)力集中很多時(shí)候是發(fā)生在約束位置，實(shí)際產(chǎn)品中往往會(huì)放個(gè)熱膨脹吸收大一些的材料，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。
然而在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)，結(jié)構(gòu)約束位置只有結(jié)構(gòu)連接孔，這時(shí)如果用固定約束顯然是不合適的，那么要如何處理呢？你思考過嗎？
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