Stres termiczny: 23 ważne czynniki z nim związane

Zawartość: stres termiczny

Definicja naprężeń termicznych

„Naprężenie termiczne to naprężenie w materiale spowodowane zmianą temperatury, które doprowadzi do odkształcenia plastycznego materiału”.

Równanie naprężenia termicznego | Formuła na stres termiczny:

Stres wywołany zmianą temperatury:
σ = Eα∆T
Udokumentowano, że zmiany temperatury spowodują powiększenie lub kurczenie się elementów i jeśli przyrost długości jednorodnego pręta o długości L i ΔL jest zmianą długości f, ponieważ jego temperatura została zmieniona z T0 na T, to ΔL może być reprezentowane jako
∆L = αL (T - T0)
gdzie α współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Jednostka naprężenia termicznego:

Jednostka SI: N / m ^ 2

Naprężenie pętli termicznej:

Naprężenie wywołane zmianą termiczną.
Załóżmy, że na koło o średnicy „D” założono cienką oponę o średnicy „d”.
Jeśli temperatura opony została zmieniona w taki sposób, że średnica opony wzrosła i zrównała się ze średnicą koła, a temperatura opony spadła do pierwotnej, średnica opony próbuje powrócić do pierwotnego wymiaru i w wyniku tego procesu w materiale opony powstały naprężenia. To naprężenie jest przykładem termicznego stres obręczy.
tak więc różnica temperatur = t stopień.
odkształcenie termiczne = Dd / d
Naprężenie obręczy = e. mi
Stąd,
Naprężenie obręczy = (Dd) .E / d

Analiza termiczna:
Analiza naprężeń termicznych w ANSYS Workbench | Naprężenie termiczne Ansys | Analiza naprężeń termicznych ABAQUS:

Celem analizy termicznej jest zbadanie zachowania materiału po przyłożeniu obciążenia termicznego i naprężenia termicznego. Aby zbadać przenoszenie ciepła w obiekcie lub między obiektami, wykorzystuje się analizę termiczną do pomiaru temperatury, gradientu termicznego i rozkładu strumienia ciepła ciała.

Rodzaje analizy termicznej:

Istnieją dwa rodzaje analizy termicznej:

Analiza termiczna stanu ustalonego:

Analiza termiczna stanu ustalonego ma na celu wyszukanie rozkładu temperatury lub strumienia ciepła w konstrukcjach po osiągnięciu stanu równowagi.

Przejściowa analiza termiczna:

Zginane zestawy przejściowej analizy termicznej określają historię zmian profilu temperatury i innych wielkości termicznych w czasie
Ponadto rozszerzalność cieplna lub kurczenie się materiałów konstrukcyjnych często powoduje naprężenia termiczne w konstrukcjach, które można zbadać przeprowadzając analizę naprężeń termicznych.

Znaczenie stresu termicznego:

Analiza naprężeń termicznych jest niezbędna do określenia naprężeń termicznych spowodowanych zmianami temperatury w konstrukcjach. Możemy przejść do

Rozwiąż równanie K. T = q
⦁ Aby otrzymać pola zmiany temperatury, najpierw zastosuj zmianę temperatury ΔT jako odkształcenie początkowe
⦁ Relacje naprężenie-odkształcenie spowodowane zmianą temperatury zostały określone przy użyciu najpierw materiałów obudowy 1D.
Odkształcenie termiczne (lub odkształcenie początkowe): εo = αΔT

Studium przypadku z ANSYS Workbench:

Materiał: aluminium
k = 170 W / (m · K)
ρ = 2800 kg / m3;
c = 870 J / (kg · K)
E = 70 GPa;
v = 0.3
α = 22 × 10–6 / ° C
Warunki brzegowe: temperatura powietrza 28 ° C; h = 30 W / (m2 · ° C). Stan ustalony: q ′ = 1000 W / m2 na podstawie.
Warunki początkowe: Stan ustalony: Jednolita temperatura 28 ° C.

• Uruchom Środowisko pracy ANSYS
• Utwórz system analizy termicznej w stanie ustalonym:
• Dodaj nowy materiał: z podanymi wszystkimi danymi.
• Uruchom program do modelowania projektów.
• Utwórz ciało
• Uruchom program termiczny w stanie ustalonym
• Wygeneruj siatkę
• Zastosuj warunki brzegowe.
• Rozwiąż i odzyskaj wyniki.

Analiza termiczna silnika chłodzonego wodą:

Poniższe kroki są wykonywane po sfinalizowaniu specyfikacji silnika.

• Projekt układu wodnego i czołowego.
• Projekt systemu wykładzin. (Na podstawie jego parametrów, takich jak otwór, skok i grubość itp.)
• Projekt pompy wodnej i instalacji.
• Projekt układu chłodzenia i jego podsystemów, takich jak chłodnice, wentylatory, konstrukcja chłodnicy oleju.

Aspekty analizy termicznej bloku silnika:

• Prędkości przepływu wody na mostku zaworu głowicy cylindrów (projekt przekroju w rdzeniu wody górnej).
• Analiza aspektów chłodzenia tłoków i zaworów.
• Analiza kawitacji liniowej.
• Analiza konstrukcji uszczelki głowicy cylindrów.

Warunki atmosferyczne pod wpływem stresu termicznego:

Naprężenie termiczne, wietrzenie, to pęknięcie termiczne to mechaniczny rozpad skały w wyniku rozszerzalności cieplnej lub skurczu spowodowanego zmianą temperatury.

Wpływ naprężeń termicznych w połączeniach spawanych:
Naprężenia termiczne podczas spawania i połączeń klejonych:

Temperatura ciała jest równomiernie1 podwyższana,
Normalne obciążenie organizmu to:
x = y = z = α (T)
Tutaj,
α jest współczynnikiem rozszerzalność cieplna.
T to zmiana temperatury.
Stres jest reprezentowany jako
σ1 = - E = −α (T) E
w podobny sposób, jeśli stała płaska płyta jest utwierdzona po bokach i również poddawana stałemu wzrostowi temperatury.
σ2 = - α (T) E (1 − ν)
Naprężenia σ1, σ2 nazywane są naprężeniami termicznymi. Powstają w wyniku naturalnego procesu podczas zaciśniętego lub utwierdzonego elementu.

Równanie naprężenia termicznego dla walca | Naprężenie termiczne w grubościennym cylindrze:

Cienkościenny cylinder:

Cylinder grubościenny:

Proces odprężania termicznego:

Proces obróbki cieplnej ma na celu zmniejszenie resztkowych naprężeń termicznych w materiałach.
Najpierw część musi zostać podgrzana w temperaturze 1100-1200 stopni F, co prowadzi do złagodzenia naprężeń i utrzymuje ją tam przez godzinę na cal grubości, a następnie pozostawia do schłodzenia w spokojnym powietrzu o określonej temperaturze.

Rozszerzalność cieplna:

Kiedy materiał stały doświadcza wzrostu temperatury lub różnicy temperatur, objętość struktury materiału stałego wzrasta, zjawisko to jest uznawane za rozszerzalność cieplną i ten przyrost objętości będzie prowadził do wzrostu naprężenia konstrukcji.

Współczynniki rozszerzalności cieplnej:

• (Liniowe średnie współczynniki dla zakresu temperatur 0–100 ° C):
• Aluminium: 23.9(10) −6 Mosiądz, odlew: 18.7(10) -6
• Stal węglowa: 10.8(10) -6 Żeliwo: 10.6(10) -6
• Magnez: 25.2(10) −6 Stal niklowa: 13.1(10) -6
• Stal nierdzewna: 17.3(10) -6 Wolfram: 4.3(10) -6

Wzór na naprężenia termiczne w prętach kompozytowych:
Naprężenie termiczne w prętach wielowarstwowych:

Pręty złożone i pręty kompozytowe pod wpływem zmian temperatury mają tendencję do kurczenia się lub rozszerzania. Generalnie odkształcenie termiczne jest procesem odwracalnym, więc materiał powróci do swojego rzeczywistego kształtu, gdy temperatura również spadnie do rzeczywistej wartości, chociaż istnieją materiały, które nie zachowują się zgodnie z rozszerzalnością cieplną i kurczeniem się.

Pręty w serii:

Stres i odkształcenie termiczne:
Definicja naprężeń termicznych i odkształceń:

Naprężenie powstałe w wyniku zmiany temperatury jest znane jako naprężenie termiczne.
Naprężenie termiczne = α (t2-t1). E.
Odkształcenie odpowiadające naprężeniu termicznemu jest znane jako odkształcenie termiczne.
Odkształcenie termiczne = α (t2-t1)

Przykład stresu termicznego:

Stres termiczny włączony szyny.

Zastosowania obciążeń termicznych:

Silnik, chłodnica, spaliny, wymienniki ciepła, elektrownie, konstrukcja satelity itp.

Szczątkowe naprężenie termiczne:

Różnice temperatur w środowisku produkcyjnym i handlowym są najbardziej wytłumaczeniem dla naprężeń termicznych (resztkowych).

Stres wywołany termicznie

σ = E ∆L / L

Obliczanie naprężeń termicznych w rurze:

Rury rozszerzają się i kurczą pod wpływem zmiennych temperatur.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej pokazuje szybkość rozszerzalności cieplnej i kurczenia się.

Czynniki wpływające na stres termiczny:

• Gradient temperatury.
• Skurcz rozszerzalności cieplnej.
• Szoki termiczne.

Naprężenie termiczne zależy od współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału i jeśli zmiana temperatury jest większa, to naprężenie również będzie większe.

Moduł sprężystości przy rozszerzalności cieplnej:

Jeśli zapobiega się całkowitemu rozszerzeniu pręta w kierunku osiowym, wówczas występuje typowe naprężenie ściskające wywołane naprężeniem ściskającym
σ = E ∆L / L
gdzie E jest modułem sprężystości.
Potrzebny jest więc stres termiczny,
α = –αE (T - T0)
Ogólnie rzecz biorąc, w elastycznym kontinuum naturalny proces jest niejednolity na całej długości i jest to zwykle funkcja czasu i przestrzeni.
stąd współrzędne przestrzenne (x, y, z), tj. T = T (t, x, y, z).

Ograniczenia analizy naprężeń termicznych:

Uwzględniane ciało może być również powstrzymane przed rozszerzaniem się lub ruchem w niektórych regionach, a zewnętrzne siły pociągowe mogą być również stosowane w innych obszarach, a obliczenia naprężeń w takich okolicznościach mogą być dość złożone i trudne do obliczenia. To również ma następujący przypadek.

• Cienkie okrągłe dyski o równej różnicy temperatur.
• Długi okrągły cylinder. (To może być puste i pełne)
• Kula o promieniowych zmianach temperatury. (To może być puste i pełne)
• Belka prosta o dowolnym przekroju.
• Skrzynia z zakrzywioną belką.

Problemy i rozwiązania związane ze stresem termicznym:

1) Stalowy pręt o długości 20 m o temperaturze 10 stopni Celsjusza. Temperatura podnosi się do 50 stopni Celsjusza. Znajdź powstałe naprężenie termiczne.
Biorąc pod uwagę: T1 = 10, T2 = 50, l = 20, α = 1210 ^ -6, E = 20010 ^ 9

Naprężenie termiczne = α (t2-t1). E.

= 1210 ^ -6 (50–10)20010 ^ 9

= 9610 ^ 6 N / m ^ 2.

FAQ / krótkie notatki:

Jaki jest skutek naprężeń termicznych?

Ma to znaczący wpływ na materiały i może prowadzić do pękania, a odkształcenie plastyczne zależy od temperatury i rodzaju materiału.

Który materiał może być używany jako izolator termiczny i dlaczego ?

Celuloza. Ponieważ blokuje powietrze lepiej niż włókno szklane i ma niską przewodność cieplną.

Jakie są trzy najczęstsze rodzaje stresu cieplnego?

Typy powszechnie stosowanych naprężeń cieplnych:

• Styczny
• promieniowy
• osiowy.

Jak obliczyć naprężenia termiczne w szkle ?

Naprężenie termiczne w szkle zmienia się w różnych temperaturach.

Naprężenia termiczne i odkształcenia:

Odkształcenie termiczne to właściwość substancji, która rozszerza się pod wpływem ogrzewania i kurczy pod wpływem chłodzenia, zwykle jest to rodzaj odkształcenia spowodowanego zmianą temperatury, co określa współczynnik rozszerzalności liniowej α.
α = ΔL / L × Δt
Tutaj,
⦁ α jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej substancji (1 / K).
⦁ ΔL jest wartością rozszerzania lub kurczenia próbki (mm).
⦁ L to rzeczywista długość.
⦁ t jest różnicą temperatur mierzone w kelwinach lub stopień Celsjusza.
Im wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej, tym wyższa wartość odkształcenia termicznego.

Warunki atmosferyczne pod wpływem stresu termicznego:

Naprężenie termiczne z wietrzenia jest pęknięciem termicznym a, mechanicznym rozpadem skały w wyniku rozszerzalności cieplnej lub kurczenia się spowodowanej zmianą temperatury.

Jaki jest wzór na naprężenia i odkształcenia związane z rozszerzalnością cieplną?

Formuła na stres termiczny:

α (t2-t1). mi

Formuła odkształcenia termicznego:

α (t2-t1).

Jaka jest zależność między naprężeniem termicznym a odkształceniem termicznym?

Naprężenie termiczne i odkształcenie termiczne w przypadkach 2D-3D:
Zmiany temperatury nie ustępują odkształcenia ścinające. W obu przypadkach 2-D i 3-D, całe odkształcenie jest często podane przez następujące równanie wektorowe:
ε = εe + εo
Relacja naprężenie-odkształcenie jest wyrażona wzorem
σ = Eεe = E (ε - εo).

Jakie parametry należy zdefiniować dla materiałów izotropowych do analizy strukturalnej i termicznej w programie ANSYS?

• Izotropowa przewodność cieplna
• Materiał
• Współczynnik przenikania ciepła

Jeśli odkształcenie powoduje naprężenia, to przy swobodnej rozszerzalności cieplnej dlaczego nie występuje naprężenie, mimo że występuje odkształcenie termiczne:

Naprężenie to opór wewnętrzny przyłożony do obciążenia zewnętrznego. Kiedy materiał jest poddawany działaniu jakiegokolwiek obciążenia lub siły, materiał próbuje oprzeć się sile prowadzącej do generowania naprężeń.
Jeśli materiał ulega swobodnej rozszerzalności cieplnej, materiał nie będzie narażony na żadne wewnętrzne naprężenia prowadzące do braku powstawania naprężeń.

Jakie są przykłady rozszerzalności cieplnej w życiu codziennym?

⦁ Termometry
⦁ Słupy elektryczne
⦁ Paski bimetaliczne
⦁ Linie kolejowe.

Jakie jest zastosowanie dyfuzyjności cieplnej w świecie rzeczywistym ?

⦁ Izolacja.

Czy prawo Hooke'a zawodzi w przypadku rozszerzalności cieplnej? ?

Prawo Haka ma zastosowanie do rozszerzalności cieplnej tylko wtedy, gdy istnieje ograniczenie dla obiektu poddawanego naprężeniom termicznym. Jeśli nie ma zastosowanego naprężenia, nie będzie żadnej ekspansji, a prawo Hooka mówi, że naprężenie jest bezpośrednio proporcjonalne do odkształcenia.

Dlaczego miedź ma tak niską rozszerzalność cieplną ?

Jeśli współczynnik rozszerzalności cieplnej jest prawie równy zarówno dla stali, jak i betonu, to dlaczego konstrukcja betonowa jest uważana za lepszego strażaka
Jeśli współczynnik rozszerzalności cieplnej jest prawie równy zarówno dla stali, jak i dla betonu, to dlaczego konstrukcja betonowa jest uważana za lepszego strażaka:
Konstrukcja betonowa ma niską przewodność cieplną i nie nagrzewa się szybko. Stąd, jeśli współczynnik rozszerzalności cieplnej jest prawie równy zarówno dla stali, jak i betonu, to dlaczego konstrukcja betonowa jest uważana za lepszego strażaka.

Dlaczego w Ansys wykonujemy statyczne wyboczenie modalne termiczne nieliniowe zmęczenie na podstawie naprężenia i odkształcenia?

Jest to metoda elementów skończonych. Aby przewidzieć dokładną i dokładną wytrzymałość konstrukcji, przeprowadza się analizę nieliniową. Uwzględnia zmiany parametrów w miarę przyłożenia obciążenia.

Co oznacza pojemność cieplna?

Pojemność cieplna materiału to ilość ciepła potrzebna do zmiany temperatury materiału na jednostkę masy materiału.

Jaka jest różnica między współczynnikami rozszerzalności cieplnej stali i miedzi?

Współczynniki rozszerzalności cieplnej 20 ° C (x10−6 K − 1)
miedź = 17
stal = 11-13.

Jaki jest pożytek z przewodnictwa cieplnego?

Przewodność cieplna to zdolność obiektu do przewodzenia ciepła. Mierzy ilość ciepła, które przechodzi przez materiał.

Czy jakiekolwiek materiały mają zerowy współczynnik rozszerzalności cieplnej?

Istnieje kilka materiałów, które mają zerowy współczynnik rozszerzalności cieplnej.
Mezopory.

Prawo Hooke'a | Prawo Hooke'a dla naprężenia termicznego:

σth = Eϵth
Jeśli materiał ulega swobodnej rozszerzalności cieplnej, tkanina nie będzie narażona na żadne naprężenia wewnętrzne, co nie spowoduje powstawania naprężeń.

Co to jest skurcz termiczny w betonie:

Kiedy gorący beton ostygnie w temperaturze otoczenia, objętość betonu zmniejsza się; proces ten nazywany jest skurczem termicznym lub termicznym w betonie.

Jakie jest najlepsze oprogramowanie do symulacji i analizy dla inżynierii mechanicznej, głównie analizy strukturalnej i analizy dynamicznej termicznej, które nie są wymagane?

Ansys, Nasttan, Abaqus, 1-deas NX itp.

Naprężenie termiczne - odkształcenie: dlaczego pręt nie wygina się, gdy jest podgrzewany od dołu, z zamocowanym tylko jednym końcem:

Naprężenia termiczne w belkach wspornikowych:

Przypadek1: Naprawiono wolny pasek:
Jeśli pręt jest podgrzewany przez wzrost temperatury, pręt będzie miał tendencję do rozszerzania się o wielkość εo = αLΔT, jeśli pręt jest wolny na innych końcach, ulega rozszerzalności cieplnej ε = αΔT,
ε = εo, εe = 0,
σ = E (ε- εo) = E (αΔT- αΔT) = 0
Oznacza to, że w tym przypadku nie ma naprężenia termicznego.

Przypadek2: Naprawiono drążek
Jeśli po prawej stronie znajduje się ograniczenie, to znaczy pasek nie może rozwinąć się do właściwej, to mamy:
ε = 0,
εe = −εo
σ = E (ε-εo) = E (0- αΔT) = = −αΔT,
σ = −EαΔT
Zatem istnieje stres termiczny.

Odkształcenia przy ścinaniu nie zmieniają tylko normalnych odkształceń.

Jeśli zmienia się temperatura, zmienia się rozmiar ciała, chociaż nie zmieni to kształtu ciała. Tak więc, biorąc pod uwagę ten fakt, naprężenie ścinające ciała nie zmienia się.

Aby uzyskać więcej artykułów, kliknij tutaj.

Sulochana Dorve

Jestem Sulochana. Jestem inżynierem ds. projektowania mechanicznego – M.tech w zakresie inżynierii projektowej, B.tech w inżynierii mechanicznej. Pracowałem jako stażysta w Hindustan Aeronautics Limited przy projektowaniu działu uzbrojenia. Mam doświadczenie w pracy w dziale badawczo-rozwojowym i projektowaniu. Znam się na CAD/CAM/CAE: CATIA | CREO | ANSYS Apdl | Stół warsztatowy ANSYS | HIPER SIATKA | Nastran Patran, a także w językach programowania Python, MATLAB i SQL.
Mam wiedzę z zakresu analizy elementów skończonych, projektowania produkcji i montażu (DFMEA), optymalizacji, zaawansowanych wibracji, mechaniki materiałów kompozytowych, projektowania wspomaganego komputerowo.
Jestem pasjonatem pracy i chętnie się uczę. Moim celem w życiu jest osiągnięcie celu i wierzę w ciężką pracę. Jestem tutaj, aby wyróżniać się w dziedzinie inżynierii, pracując w pełnym wyzwań, przyjemnym i profesjonalnie jasnym środowisku, w którym mogę w pełni wykorzystać moje umiejętności techniczne i logiczne, stale się doskonalić i porównywać z najlepszymi.
Nie mogę się doczekać, aby połączyć się z Tobą za pośrednictwem LinkedIn –