耦合分析 — 热-结构耦合 — 文章目录
热-结构耦合是求解温度分布产生热应变、并与约束条件结合形成应力这一过程的领域。多数情况下从温度场到结构场的单向耦合就足够，但在摩擦生热或接触热阻起作用的问题中就成为双向耦合。实务中的主战场不是“温差”而是“热膨胀系数（CTE）之差”，异种材料接合部即使温度均匀变化也会产生应力。
其中三篇各有侧重：《焊接变形·残留应力解析》是含移动热源和相变、非线性最强的应用；《热障涂层（TBC）热应力》讲解燃气轮机隔热涂层的层间应力与剥离评价；《热膨胀系数梯度设计》是让成分连续变化以缓和CTE失配应力的设计方法。三篇都贯穿着“应力的来源是哪里的约束”这一视角。
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- 增材制造（金属3D打印）残余应力
用固有应变法的简单算例讲解金属增材制造的残余应力。316L从熔化到室温的热收缩约为屈服应变的10倍，塑性变形不可避免；10 mm厚基板上的成形件取下后每100 mm翘曲0.1～0.3 mm， - 双金属热变形分析
用算例讲解恒温器用双金属片（高膨胀合金与因瓦合金，厚1 mm）。弯曲最大的厚度比为弹性模量比的平方根1.10，与等厚相差不到1%。长50 mm加热50 K端部移动1.73 mm，挡住端部时宽5 mm输出2.7 N。 - 蠕变-疲劳相互作用 — 高温结构的寿命评估方法
蠕变-疲劳相互作用寿命评估：涵盖线性损伤累积、时间分率法、应变范围分割SRP与延性消耗法，结合FEM分析指导高温结构件寿命预测实践。 - 热膨胀系数梯度设计（功能梯度材料）
用层合板算例讲解在陶瓷与金属之间插入热膨胀系数渐变的中间层的设计。冷却500 K后，界面应力突变从直接接合的991 MPa降到9级梯度层的136 MPa，连续梯度几乎为0，但陶瓷表面的拉应力和翘曲几乎不变。 - 摩擦生热仿真
从两物体间热量分配（热渗透率）和短时加热下的表面温度讲解滑动接触中产生的摩擦热。以100 km/h紧急制动的假想例子说明：九成热量进入制动盘，盘整体温升约50 K，表面却瞬时升高约110 K； - 玻璃钢化（风冷钢化）热应力分析
用瞬时冻结模型的算例讲解玻璃加热后风冷的钢化处理。6 mm板在换热系数100 W/m²K时表面压应力37 MPa（相当于半钢化），400时107 MPa（相当于全钢化）；板越薄需要越强的冷却。 - 热残留应力分析 — 焊接·铸造·淬火的残留应力预测
本文介绍CAE技术如何预测焊接、铸造和热处理过程中的热残余应力。解释残余应力作为无外力时的自平衡应力场，及其在焊缝附近接近屈服强度的成因。探讨残余应力对疲劳寿命、变形和应力腐蚀开裂的影响， - 焊点可靠性仿真
陶瓷片式元件焊在玻璃环氧基板上时，热膨胀差使焊料在每次温度升降时受剪切。用Engelmaier公式计算−40～125℃温度循环寿命，0603（1.6×0.8 mm）为4,390次，1206为814次， - 考虑热变形的装配仿真
把外径100 mm的钢轮毂以0.03 mm过盈量热装到直径50 mm的钢轴上，接触压力为46 MPa，可传递扭矩约1,090 N·m，装配时轮毂需加热约104 K。但运行中轮毂比轴热50 K时， - 热障涂层（TBC）热应力
计算TBC冷却1000 K时热膨胀失配引起的应力。多孔氧化锆（弹性模量50 GPa）为281 MPa压应力，致密膜（200 GPa）则为1,125 MPa。粘结层上生长的氧化膜（氧化铝）受高达3.5 GPa的压应力， - Thermal Buckling (Thermal Structural)
热屈曲是无外部荷载仍会发生的现象。受拘束的结构体被加热时，膨胀被抑制而产生压缩应力。超过临界值时会突然屈曲。本文详解这一违直觉的现象机制及3个实际案例，说明CAE预测的重要性。 - 热循环疲劳分析 — 焊点接合部、电子封装的寿命预测
讲解焊点接合部与电子封装的热循环疲劳：芯片与基板热膨胀系数不匹配如何在每个循环中产生强制应变，基于Coffin-Manson准则、Anand模型、Darveaux公式的寿命预测，热-结构耦合分析的流程与验证， - 异种材料的热膨胀失配
讲解热膨胀系数不同的材料接合后产生的应力与变形。计算温差100 K时的失配应变、氧化铝上铜膜约180 MPa的应力、铝与钢双金属片的弯曲，以及片式元件焊点剪切应变如何随元件尺寸增大。 - 热机械疲劳（TMF）解析
热机械疲劳TMF解析完整指南，涵盖TMF与普通疲劳的区别、理论基础及数值求解方法，助力工程师精准评估高温循环载荷下的材料失效风险。 - 温度梯度对结构的影响 — 热应力、变形机制和FEM耦合分析
温度梯度对结构的影响解析。热应力、变形机制和FEM耦合分析的设计验证。热FEM、结构FEM、热应力分析的实务手法。 - 热棘轮效应解析
用Bree图和ASME热应力棘轮规定讲解在恒定内压与循环热应力作用下每个循环累积变形的热棘轮效应。用弹性-理想塑性纤维模型数值验证边界 Y = 1/X、Y = 4(1−X)，并给出允许壁厚方向温差的算例和FEM评估步骤。 - 热冲击分析 — 急速温度变化引起的裂纹发生与比奥数的作用
讲解热冲击分析：急速温度变化在表面产生拉应力并引发裂纹。比奥数是内部导热阻力与表面换热阻力之比，陶瓷等脆性材料在比奥数较小时就已进入危险区域。涵盖有限元离散化与求解器设置、验证流程和常见错误。 - 热应力分析
用钢的算例讲解热应力产生的条件。两端固定的杆在100 K时为240 MPa，板面内双向约束为343 MPa；而自由板厚度方向的线性温差只会使其弯曲，应力为零。 - 热-结构耦合设计（Thermo-Mechanical Design）
热-结构耦合设计超越单纯的热应力计算，是控制温度变化引起的精密尺寸精度下降的综合设计技术。在半导体曝光设备工作台这类0.01°C变化会引起数nm变形的领域， - 焊接变形·残留应力解析
用由塑性区宽度求收缩力的方法估算钢板焊接变形。板厚10 mm、热输入800 J/mm（电弧1,000 J/mm×效率0.8）焊接时，塑性区单侧宽31.7 mm，收缩力190 kN。