结构设计中的热载荷，你了解多少？
如果结构中涉及温度变化，那么我们就必须考虑热载荷的影响。虽然热载荷本身不会引起应力，但它会导致结构膨胀或收缩……当您阻止这种变形时，就会出现应力，而且应力可能很大！
在这篇文章中，我们将解决结构设计中有关热载荷的最重要问题。 让我们深入了解一下！
显而易见的问题
当你加热某物体时，它会膨胀。我不知道你在高中时是否做过这个“球”实验。老师将一个金属球放在一根穿过圆孔的绳子上。然后将球放在蜡烛上以加热它。随着球的直径增加，它无法通过那个圆孔。就是这个现象！
如果你检查一下，球中没有应力……它只是变大了。
这就是为什么在结构设计中，更关注材料特性。如您所知，当加热金属时，它实际上会变弱。另一方面，如果让它处于低温下，它会变得更脆。这就是为什么许多规范提供金属在较高温度下的屈服强度和杨氏模量的原因。
不那么明显的问题（尽管仍然很明显）
首先，我们应该看看我们关注哪些材料特性，然后我们可以关注这些特性在高温下如何变化。我们通常将开始发生塑性变形时的应力水平表示为 f y 。
但这还不是全部！我应该提到，对于奥氏体钢，我们无法真正测量“屈服强度”。很简单……因为这些钢材没有明显的屈服点！
因此，我们只能使用塑性应变为 0.2% 或 1.0% 的应力作为屈服强度（通常表示为 f0.2 或 f1.0）。我们这样做，只是因为它不存在“真正的”屈服应力。但工程上，有些人将这些值称为“屈服应力”。
如您所知，这些奥氏体钢的应力应变图如下：
当然，称其为“屈服应力”并不准确。由于 1.0% 的屈服强度意味着……卸载后仍保留 1.0% 的塑性变形！很明显，这不是“屈服开始时的应力”！
参数随温度变化
现在，既然您已经知道我们想要测量什么，那么是时候看看钢参数如何随温度变化。如下图所示，图表形式展示了S235、S4301，S4404三种材料f0.2 和 f1.0屈服应力随温度升高的变化。
正如您所看到的，随着温度升高，屈服强度都会降低。
如果您想在 FEA 中使用奥氏体钢，那就有点复杂了……不应使用双线性模型对其进行建模。我想您已经看到，在应力应变图上很难用双线性进行拟合！因此，您很可能需要将应力应变曲线输入到您的 FEA 模型中。
正如我在开头所写的，如果你加热物体，它就会膨胀。只要它可以自由膨胀，这不会产生任何应力。我认为这就是造成忽视问题的“基础”。
看看这个压力容器：
正如你所看到的，它靠三条腿支撑。如果我单独加热腿……容器会变得更高。从字面上看，不会发生其他任何事情（当然除了材料属性的降低！）。这是模型中等效应力的动画。
当我加热容器时，事情变得有点复杂。这也将是一个“真实”的负载情况。随着容器直径的增加（由于升温膨胀），可以看到腿部会稍微弯曲。它们“向侧面”移动几毫米并不需要很大的力！这意味着，虽然它们“抵抗”容器直径的增加……但它们的抵抗力并没有那么大！因此，这个小阻力只会在结构中产生很小的应力。
我不想讨论这些应力是否“足够大”到让你担心。现实情况是，将温度载荷添加为“载荷”并不是结构设计中的常见做法。
简而言之，如果您的结构很容易变形，那么温度很可能不会引起很多问题！
如果您不确定在特定情况下是否可以忽略温度……请不要忽略它！只需将该负载添加到您的分析中，然后看看发生了多少变化。一段时间后，我相信你会对此有所“感觉”。
为什么局部应力过大？...
在上面的 gif 中你可能注意到，腿部有一个区域的应力非常高。说实话，现实中不会有这样的应力。在这里做一个解释。
当您向结构的一部分（而不是整个结构）加载温度时，情况会有点复杂。“热”材料和“冷”材料之间存在“边界”。在这种情况下，“热”材料（想要膨胀。当然，“冷”材料则不然。这就会产生显着的热应力，您可以在下面轻松看到：
当然，你也可以从“另一个视角”观察到同样的现象。
这就是您之前在动画中看到的那些奇怪应力的来源。
当然，实际上会存在温度梯度（但不存在“超急剧的温度梯度”）。
当然，正确加载模型可以解决问题。但我认为值得了解的是，简化 FEA 模型中的热载荷可能会导致如此有趣的结果。
回到主题...
到目前为止，我们知道如果结构很容易变形，那么温度很可能不会造成太大应力。此外，以不合理的温度梯度也会带来问题。
再看下面这情况，容器也会被加热，唯一的区别是，它被焊接到不会变形的钢结构上。假设这是因为水平支撑连接到每个支撑点：
基于这种连接，导致了这样的假设：我们在水平方向上为容器提供了刚性支撑。切线方向并不那么重要——老实说，这一切都发生在径向方向。
如果我们在这种情况下开始加热容器，就会发生以下情况：
可以看到外壳承受较大应力，而且它向内部变形了！如果考虑容器中的真空状态，这将是一个严重的问题。由于周向屈曲，这种向内变形确实降低了壳体的抗屈曲能力。正如想象的那样，温度越高，发生的变形就越多。这最终会导致抗屈曲能力降低。
然而，这个问题有一个简单的解决方案。可以在每个支撑上提供径向滑动支撑，来替代焊接。当然，我们不必对所有这些进行建模！我们可以简单地假设支架上没有径向支撑。这就是我们将得到的：
可以看到支架附近仍出现应力过大。它们在横向上受到限制，并且明显比壳体的“平均”部分更坚硬。
如何避免这个问题？
到目前为止您学到的是：
热载荷对于容易变形的结构来说意义不大——它们只会变形，并在此过程中产生相当小的应力。
如果您不确定您的结构是否足够容易变形 - 只需在 FEA 中添加热载荷，看看会发生什么。
如果您的结构“相当刚性”并且不易变形，请制作滑动支撑，使您的结构能够延伸。这大大减少了潜在的问题。
当你实际上没有滑动支撑时，麻烦才真正开始！
焊接过程中发生严重弯曲的容器，同时容器中也存在热负荷，这意味着情况如下：
径向支撑对屈曲能力有很大帮助。不想讲太多细节，我就这样解释一下。如果沿径向支撑支架，它们可以帮助外壳保持圆形形状。这有助于外壳弯曲。
由于热负载，增加径向支撑真的很糟糕！当阻止支架上的径向运动时，外壳上会产生额外的应力。而且它甚至会变形更多，使屈曲变得更严重！
正如您所看到的，没有简单的方法可以判断径向支撑对于容器来说是好是坏。当然，当我进行初步验证时，事情变得更糟：
显然，检查“有”和“没有”滑动支撑的模型是第一步。
遗憾的是，当径向支撑刚性时，容器太弱（与热相关的应力和变形太高）。
同时，当支架径向自由时，容器的稳定性太低。
这就是为什么我检查了径向支撑间隙为 1 毫米、2 毫米、3 毫米等的容器的承载能力。假设承载能力是径向间隙的函数，通过分析可知道变化趋势，并选择合适的间隙。
当然，这实际上是有效的，如下图所示。下图显示了随着间隙的增加，一个支架上的径向反作用力如何下降：
在开始时，模型的变形（主要是由于热膨胀，但不仅仅是热膨胀）是“自由的”。由于间隙，它们不会产生反作用力。但当间隙闭合时，变形被“阻止”，从而产生反作用力、应力等。这意味着，通过控制初始间隙的大小，可以得到合适的设计！
令我惊讶的是，“最佳径向间隙”为 3 毫米，在这种情况下容器有足够的刚性和承载能力！剩下的唯一问题是找出能够如此精确地阻止径向运动的系统。当然，螺栓孔中的正常间隙绝对不是一种选择。但这也不是一项艰巨的任务。
要记住什么？
读完本文应该记住以下几点：
在适当的条件下可以忽略热载荷！温度变化随处可见，仅仅是太阳照射也能将结构加热到 70℃。如果您的结构在受热时很容易变形和“膨胀”……则不会产生明显应力！
请记住温度对材料性能的影响！这始终很重要。材料在高温下会降低强度……不要忘记这一点！
实际事情往往会变得复杂！您肯定会发现自己处于一个刚性结构且扩展受阻的情况。这意味着，在这种情况下，温度负载实际上可能会造成严重破坏！热膨胀非常“强”，如果你阻止它，它会在你的结构中产生很大应力！
