热应力分析 — CAE术语解说
热应力分析
我在发动机零件的设计中被要求进行"热应力分析",这和普通的结构分析有什么区别吗?
定义
简单来说,就是先通过热分析求出零件内的温度分布,然后将该温度分布作为荷载条件传递给结构分析,进行两阶段的耦合分析。温度分布不均匀时,零件内各处膨胀量不同,受约束的部分就会产生应力。
明白了,温度计算和力的计算是分开进行的。具体在什么场景下需要这种分析呢?
比如汽车的排气管,排气气体温度能达到接近800℃,但法兰部分却被螺栓固定。这种约束与温度差的组合会导致裂纹产生。热应力分析就是用来提前预测这种破坏的。
热分析中的作用
在热分析步骤中,具体求解什么方程呢?
我们求解基于傅里叶定律的热传导方程。这个方程考虑了密度、比热、热导率以及内部发热。
$$ \rho c_p \frac{\partial T}{\partial t} = \nabla \cdot (k \nabla T) + Q $$
左边是温度随时间的变化,右边是热的扩散和发热,对吧?稳定状态下左边变成零?
完全正确。在稳态热分析中,时间微分项消失,温度场不随时间变化。像发动机巡航工况时温度稳定的情况就适用,但如果要评估启动-停止循环,就需要非稳态分析。
相关术语
学习热应力分析的话,还需要掌握哪些术语呢?
CTE的不匹配会产生应力啊。异种材料的接合部特别要注意吧…
完全同意。电子基板的焊接接头就是典型例子,硅和铜的CTE差异很大,温度循环会导致反复应力,最后疲劳破坏。先从简单模型开始练习温度荷载的加载方式比较好。
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