物体的体积在受热时膨胀,冷却时收缩。但是,如果物体被约束,无法热胀冷缩,则会在物体内产生抵抗这些变形的内力。
例如,如果对圆形截面的窄金属杆加热时没有约束,则杆可以自由伸长。然而,如果杆在两端受限, 使其不能纵向伸展,则金属杆会对约束它的物体施加力,而约束金属杆的物体对金属杆则施加相同大小和相反方向的力。这时的金属杆处于受力状态,物体内部会产生抵抗变形的内力。
热应力的大小与热膨胀系数成正比,这是受热物体的力学性质。如果物体自由地膨胀或自由收缩,则不会产生热应力。不过,即使物体不受约束,如果整个物体的温度分布不均匀,温度梯度会也会导致物体内部产生热应力。
温度升高,物体膨胀。温度降低,物体收缩。这种现象可以用下列的等式表达。等式中
α是热膨胀系数,ΔT是温度变化。
单位温度变化引起长度量值的变化。如长度为L的物体温度均匀变化,用下列等式就可以计算它的变形量。
如果对物体的膨胀/收缩有限制,温度变化会导致物体内部产生应力,这就是热应力:
热应力分析可用来检查设计产品的安全性, 比如考虑由不同热源引起的温度变化所造成的热变形和热应力。在热应力分析中, 通过传热分析计算温度分布结果, 并将其转化为结构分析的热荷载,以检查变形形状和应力。
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