Thermische stress: 23 belangrijke factoren die ermee verband houden

Inhoud: thermische belasting

Thermische spanningsdefinitie

"Thermische spanning is de spanning in het materiaal als gevolg van de temperatuurverandering en deze spanning zal leiden tot plastische vervorming in het materiaal."

Thermische spanningsvergelijking | Thermische spanningsformule:

De spanning die wordt veroorzaakt door temperatuurverandering:
σ = Eα∆T
Het is gedocumenteerd dat veranderingen in temperatuur ervoor zorgen dat elementen groter of kleiner worden en als toename in de lengte van een uniforme staaf met lengte L en ∆L de verandering f lengte is omdat de temperatuur is veranderd van T0 naar T, dan kan ∆L vertegenwoordigd worden als
∆L = αL (T - T0)
waarbij α de thermische uitzettingscoëfficiënt.

Thermische spanningseenheid:

SI-eenheid: N / m ^ 2

Thermische hoepelspanning:

Stress gegenereerd door thermische verandering.
Laten we aannemen dat een dunne band met diameter 'd' op het wiel met diameter 'D' is gemonteerd.
Als de temperatuur van de band zodanig is veranderd dat de diameter van de band is vergroot en gelijk is geworden aan de diameter van het wiel en als de temperatuur van de band is gedaald tot de oorspronkelijke waarde, probeert de banddiameter terug te keren naar zijn oorspronkelijke afmeting en door dit proces is er spanning ontstaan ​​in het bandmateriaal. Deze spanning is een voorbeeld van Thermisch hoepel stress.
dus het temperatuurverschil = t graad.
thermische rek = Dd / d
Hoepelspanning = e. E.
Vandaar,
Hoepelspanning = (Dd) .E / d

Thermische analyse:
Thermische spanningsanalyse in ANSYS Workbench | Ansys thermische stress | Abaqus thermische spanningsanalyse:

Het doel van de thermische analyse is om het gedrag van materiaal te bestuderen na het aanbrengen van thermische belasting en thermische spanning. Om de warmteoverdracht binnen een object of tussen objecten te bestuderen, wordt thermische analyse gebruikt voor temperatuurmeting, thermische gradiënt en warmtefluxverdelingen van het lichaam.

Soorten thermische analyse:

Er zijn twee soorten thermische analyse:

Steady-state thermische analyse:

Steady-state thermische analyse is bedoeld om de temperatuur of warmtefluxverdeling in structuren te achterhalen wanneer een evenwicht is bereikt.

Voorbijgaande thermische analyse:

Voorbijgaande thermische analysesets die zijn gebogen, bepalen de tijdgeschiedenis van hoe het temperatuurprofiel en andere thermische grootheden met de tijd veranderen
Thermische uitzetting of samentrekking van technische materialen resulteert ook vaak in thermische spanning in constructies, die kunnen worden onderzocht door thermische spanningsanalyse uit te voeren.

Belang van thermische spanning:

Thermische spanningsanalyse is essentieel om de thermische spanningen als gevolg van temperatuurveranderingen in constructies te bepalen. We kunnen doorgaan

Los vergelijking K op. T = q
⦁ Om de temperatuurveranderingsvelden te verkrijgen, past u in eerste instantie de temperatuurverandering ΔT toe als initiële rek
⦁ De spanning-rek relaties als gevolg van temperatuurverandering werden bepaald door eerst gebruik te maken van 1D case materialen.
De thermische rek (of initiële rek): εo = αΔT

Case study met ANSYS Workbench:

Materiaal: 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
Randvoorwaarden: luchttemperatuur van 28 ° C; h = 30 W / (m2 ° C). Stabiele toestand: q ′ = 1000 W / m2 op de basis.
Initiële condities: Stabiele toestand: Uniforme temperatuur van 28 ° C.

• Start de ANSYS-werkbank
• Creëer een stabiel thermisch analysesysteem:
• Nieuw materiaal toevoegen: voorzien van alle gegeven gegevens.
• Start het programma voor het ontwerpen van modellen.
• Creëer lichaam
• Start het stationaire thermische programma
• Genereer mesh
• Pas randvoorwaarden toe.
• Resultaten oplossen en ophalen.

Thermische analyse van watergekoelde motor:

De volgende stappen worden gevolgd nadat de motorspecificatie is voltooid.

• Ontwerp van waterkern en kop-kernsysteem.
• Ontwerp van voeringsysteem. (Gebaseerd op zijn parameters zoals boring, stoken en dikte enz.)
• Ontwerp van waterpomp en installatie.
• Koelsysteemontwerp en zijn subsystemen zoals radiatoren, ventilatoren, oliekoelerontwerp.

Aspecten van thermische analyse van motorblok:

• Cilinderkopklep overbrugt watersnelheden (ontwerp van doorsnede in bovenwaterkern).
• Analyse van het aspect van de zuiger- en klepkoeling.
• Cavitatie-analyse van de voering.
• Analyse van het ontwerp van de cilinderkoppakking.

Verwering door thermische belasting:

Thermische spanningsverwering is de thermische breuk is een mechanische afbraak van gesteente als gevolg van thermische uitzetting of samentrekking veroorzaakt door de verandering in temperatuur.

Effecten van thermische spanningen in lasverbindingen:
Thermische spanning bij lassen en in verlijmde verbindingen:

De temperatuur van het lichaam wordt gelijkmatig1 verhoogd,
De normale belasting van het lichaam is,
x = y = z = α (T)
Hier
α is de coëfficiënt van thermische uitzetting.
T is de temperatuurvariatie.
De spanning wordt weergegeven als
σ1 = - E = −α (T) E
op een vergelijkbare manier, als een gelijkmatige vlakke plaat aan de zijkanten wordt vastgehouden en ook wordt blootgesteld aan een constante temperatuurstijging.
σ2 = - α (T) E (1 − ν)
De spanningen σ1, σ2 worden thermische spanningen genoemd. Ze ontstaan ​​door een natuurlijk proces tijdens een ingeklemd of vastgehouden lid.

Thermische spanningsvergelijking voor cilinder | Thermische spanning in dikwandige cilinder:

Dunwandige cilinder:

Dikwandige cilinder:

Thermisch spanningsverlichtingsproces:

Het proces van warmtebehandeling wordt gebruikt om de resterende thermische spanningen in de materialen te verminderen.
Ten eerste moet het onderdeel worden verwarmd tot 1100-1200 graden F, wat leidt tot verlichting van de spanningen en het daar een uur per inch dikte houden, en vervolgens laten afkoelen in rustige lucht op temperatuur.

Thermische uitzetting:

Wanneer een vast materiaal een toename in temperatuur of temperatuurverschil ervaart, neemt het volume van de structuur van vast materiaal toe, dit fenomeen wordt erkend als thermische uitzetting en deze volumetoename zal leiden tot een toename van de spanning van de structuur.

Coëfficiënten van thermische uitzetting:

• (Lineaire gemiddelde coëfficiënten voor het temperatuurbereik 0–100 ° C):
• Aluminium: 23.9(10) −6 Messing, gegoten: 18.7(10) −6
• Koolstofstaal: 10.8(10) −6 Gietijzer: 10.6(10) −6
• Magnesium: 25.2(10) −6 Nikkelstaal: 13.1(10) −6
• Roestvrij staal: 17.3(10) −6 Wolfraam: 4.3(10) −6

Thermische spanningen in de formule van samengestelde staven:
Thermische spanning in samengestelde staven:

Samengestelde staven en samengestelde staven hebben, wanneer ze temperatuurverandering ondergaan, de neiging om samen te trekken of uit te zetten. Over het algemeen is thermische belasting een omkeerbaar proces, dus het materiaal zal terugkeren naar zijn werkelijke vorm wanneer de temperatuur ook daalt tot zijn werkelijke waarde, hoewel er sommige materialen zijn die zich niet gedragen volgens thermische uitzetting en samentrekking.

Bars in serie:

Thermische spanning en rek:
Thermische spanning en rekdefinitie:

De spanning die wordt veroorzaakt door verandering in temperatuur staat bekend als thermische spanning.
Thermische spanning = α (t2-t1). E.
De rek die overeenkomt met thermische spanning staat bekend als thermische rek.
Thermische belasting = α (t2-t1)

Voorbeeld thermische belasting:

Thermische spanning op rails.

Thermische spanningstoepassingen:

Motor, radiator, uitlaat, warmtewisselaars, energiecentrales, satellietontwerp, etc.

Thermische restspanning:

Verschillen in de temperaturen tijdens de productie- en handelsomgeving zijn de belangrijkste verklaring voor thermische (rest) spanningen.

Thermisch geïnduceerde stress

σ = E ∆L / L

Thermische spanningsberekening in buis:

Leidingen zetten uit en krimpen door variabele temperaturen.
De thermische uitzettingscoëfficiënt toont de snelheid van thermische uitzetting en krimp.

Factoren die thermische spanning beïnvloeden:

• Temperatuurgradiënt.
• Samentrekking door thermische uitzetting.
• Thermische schokken.

Thermische spanning is afhankelijk van de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal en als de temperatuurverandering groter is, zal de spanning ook groter zijn.

Elasticiteitsmodulus bij thermische uitzetting:

Als wordt voorkomen dat de staaf volledig uitzet in de axiale richting, dan is dit de typische geïnduceerde drukspanning
σ = E ∆L / L
waarbij E de elasticiteitsmodulus is.
Dus de thermische spanning die nodig is, is,
α = –αE (T - T0)
Over het algemeen is in een elastisch continuüm het natuurlijke proces overal niet uniform en dit is meestal een functie van tijd en ruimte.
daarom de ruimtecoördinaten (x, y, z), dwz T = T (t, x, y, z).

Beperkingen van thermische spanningsanalyse:

Het lichaam waarmee rekening wordt gehouden, kan in sommige regio's ook worden tegengehouden van uitzetting of beweging, en externe tracties kunnen ook worden toegepast op andere regio's en de berekening van de spanning kan onder dergelijke omstandigheden behoorlijk complex en moeilijk te berekenen zijn. Dit heeft ook het volgende geval is beperkt.

• Dunne ronde schijven met gelijk temperatuurverschil.
• Lange ronde cilinder. (Dit kan hol en massief zijn)
• Bol met radiale temperatuurvariatie. (Dit kan hol en massief zijn)
• Rechte balk met willekeurige doorsnede.
• Gebogen balkbehuizing.

Thermische spanningsproblemen en oplossingen:

1) Een stalen staaf met een lengte van 20 meter met een temperatuur van 10 graden Celsius. De temperatuur wordt verhoogd tot 50 graden Celsius. Zoek de geproduceerde thermische spanning.
Gegeven: T1 = 10, T2 = 50, l = 20, α = 1210 ^ -6, E = 20010 9 ^

Thermische spanning = α (t2-t1). E.

= 1210 ^ -6 (50-10)20010 9 ^

= 9610 ^ 6 N / m ^ 2.

FAQ / korte opmerkingen:

Wat is het effect van thermische spanningen?

Dit heeft een significant effect op de materialen en kan leiden tot breuk en plastische vervorming is afhankelijk van de temperatuur en materiaalsoort.

Welk materiaal kan als thermische isolator worden gebruikt en waarom ?

Cellulose. Omdat het lucht beter blokkeert dan glasvezel en een lage thermische geleidbaarheid heeft.

Wat zijn de drie meest voorkomende soorten hittestress?

Veelgebruikte soorten hittestress:

• Tangentieel
• radiale
• axiaal.

Hoe thermische spanningen in glas te berekenen ?

Thermische spanning in glas varieert bij verschillende temperaturen.

Thermische spanning en vervorming:

Thermische vervorming is de eigenschap van een stof om uit te zetten bij verwarming en krimpen bij afkoeling, normaal een soort vervorming als gevolg van temperatuurverandering en dit wordt aangegeven door lineaire uitzettingscoëfficiënt α.
α = ΔL / L × Δt
Hier
⦁ α is dat de lineaire uitzettingscoëfficiënt van een stof (1 / K).
⦁ ΔL is de waarde van de expansie of samentrekking van een specimen (mm).
⦁ L is de werkelijke lengte.
(het is het temperatuurverschil) gemeten in Kelvin of graden Celsius.
Hoe hoger de thermische uitzettingscoëfficiënt, hoe hoger de waarde van thermische vervorming.

Verwering door thermische belasting:

Thermische spanningsverwering is de thermische breuk a, mechanische afbraak van gesteente als gevolg van thermische uitzetting of samentrekking veroorzaakt door de verandering in temperatuur.

Wat is de formule voor thermische uitzettingsspanning en rek?

Thermische spanningsformule:

α (t2-t1). E.

Thermische rekformule:

α (t2-t1).

Wat is de relatie tussen thermische spanning en thermische belasting?

Thermische belasting en thermische belasting in 2D-3D-gevallen:
Temperatuurveranderingen leveren niet op schuifspanningen. In zowel 2D- als 3D-gevallen wordt de hele stam vaak gegeven door de volgende vectorvergelijking:
ε = εe + εo
En de spanning-rek relatie wordt gegeven door
σ = Eεe = E (ε - εo).

Welke parameters moeten worden gedefinieerd voor isotrope materialen voor structurele en thermische analyse in ANSYS?

• Isotrope thermische geleidbaarheid
• Materiaal
• Warmteoverdrachtscoëfficiënt

Als spanning spanning veroorzaakt, waarom is er dan bij vrije thermische uitzetting geen spanning, ook al is er thermische spanning:

Stress is de interne weerstand die wordt uitgeoefend op een externe belasting. Wanneer het materiaal enige belasting of kracht ondergaat, probeert het materiaal de kracht te weerstaan ​​die leidt tot het genereren van spanning.
Als het materiaal een vrije thermische uitzetting ondergaat, zal het materiaal geen interne spanning ondergaan, waardoor er geen spanning wordt gegenereerd.

Wat zijn enkele voorbeelden van thermische uitzetting in het dagelijks leven?

⦁ Thermometers
⦁ Elektrische pylonen
⦁ Bimetalen strips
⦁ Spoorlijnen.

Wat is de toepassing van thermische diffusie in de echte wereld ?

⦁ Isolatie.

Faalt de wet van Hooke in geval van thermische uitzetting? ?

De wet van Hook is alleen van toepassing op thermische uitzetting als er een beperking is voor het object dat thermische spanning ondergaat. Als er geen toegepaste spanning is, zal er geen uitzetting zijn en de wet van Hook stelt dat spanning direct evenredig is met rek.

Waarom heeft koper zo'n lage thermische uitzetting? ?

Als de thermische uitzettingscoëfficiënt bijna gelijk is voor zowel staal als beton, waarom wordt een betonnen constructie dan als een betere brandweerman beschouwd?
Als de thermische uitzettingscoëfficiënt bijna gelijk is voor zowel staal als beton, waarom wordt een betonnen constructie dan als een betere brandweerman beschouwd:
Een betonconstructie heeft een lage thermische geleidbaarheid en warmt niet snel op. Dus als de thermische uitzettingscoëfficiënt bijna gelijk is voor zowel staal als beton, waarom wordt een betonnen constructie dan als een betere brandweerman beschouwd?

Waarom doen we statische structuurknikmodale thermische niet-lineaire vermoeidheid op basis van spanning en rek in Ansys?

Het is een eindige-elementenmethode. Om de exacte en nauwkeurige sterkte van de constructies te voorspellen, wordt niet-lineaire analyse uitgevoerd. Het houdt rekening met de wijzigingen in de parameters terwijl de belasting wordt toegepast.

Wat betekent thermische capaciteit?

De thermische capaciteit van het materiaal is de hoeveelheid warmte die nodig is om de materiaaltemperatuur te veranderen per massa-eenheid van materiaal.

Wat is het verschil tussen de thermische uitzettingscoëfficiënten van staal en koper?

Thermische uitzettingscoëfficiënten 20 ° C (x10−6 K − 1)
koper = 17
staal = 11-13.

Wat is het nut van thermische geleidbaarheid?

Thermische geleidbaarheid is het vermogen van een object om warmte te geleiden. Het meet de hoeveelheid warmte die door het materiaal wordt overgedragen.

Hebben materialen een thermische uitzettingscoëfficiënt van nul?

Er zijn maar weinig materialen die een thermische uitzettingscoëfficiënt van nul hebben.
Mesoporen.

Wet van Hooke | Hooke's wet voor thermische stress:

σth = Eϵth
Als het materiaal een vrije thermische uitzetting ondergaat, zal de stof geen interne spanning ondergaan, waardoor er geen spanning wordt gegenereerd.

Wat is thermische krimp in beton:

Wanneer het hete beton afkoelde tot omgevingstemperatuur, neemt het volume van het beton af; dit proces wordt thermische samentrekking of thermische krimp in beton genoemd.

Wat is de beste simulatie- en analysesoftware voor machinebouw, voornamelijk structurele analyse en dynamische thermische analyse, niet vereist?

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

Thermische spanning-rek: waarom de staaf niet buigt wanneer deze vanaf de bodem wordt verwarmd met alleen één uiteinde vast:

Thermische spanningen in vrijdragende liggers:

Case1: Vaste vrije balk:
Als een staaf wordt verwarmd door temperatuurstijging, zal de staaf de neiging hebben om uit te zetten met een hoeveelheid εo = αLΔT, als de staaf aan andere uiteinden vrij is, ondergaat hij thermische uitzetting ε = αΔT,
ε = εo, εe = 0,
σ = E (ε- εo) = E (αΔT- αΔT) = 0
Dat wil zeggen, er is in dit geval geen thermische spanning.

Case2: Vast-vaste bar
Als er een beperking aan de rechterkant is, dat wil zeggen dat de balk niet kan worden uitgebreid tot de juiste, dan hebben we:
= 0,
εe = −εo
σ = E (ε-εo) = E (0- αΔT) = = −αΔT,
σ = −EαΔT
Er bestaat dus thermische spanning.

Afschuifspanningen veranderen niet alleen normale spanningen veranderen.

Als de temperatuur verandert, verandert de grootte van het lichaam, hoewel de vorm van het lichaam niet verandert. Gezien dit feit verandert de schuifspanning van het lichaam dus niet.

Voor meer artikelen, klik hier.

Sulochana Dorve

Ik ben Sulochana. Ik ben een mechanisch ontwerpingenieur: M.tech in ontwerptechniek, B.tech in werktuigbouwkunde. Ik heb als stagiair bij Hindustan Aeronautics gewerkt, beperkt in het ontwerp van de bewapeningsafdeling. Ik heb ervaring met R&D en design. Ik ben bedreven in CAD/CAM/CAE: CATIA | CREO | ANSYS Apdl | ANSYS Werkbank | HYPERMESH | Nastran Patran en in de programmeertalen Python, MATLAB en SQL.
Ik heb expertise op het gebied van eindige-elementenanalyse, ontwerp voor productie en assemblage (DFMEA), optimalisatie, geavanceerde trillingen, mechanica van composietmaterialen, computerondersteund ontwerp.
Ik ben gepassioneerd door mijn werk en leergierig. Mijn doel in het leven is om een ​​doelbewust leven te leiden, en ik geloof in hard werken. Ik ben hier om uit te blinken op het gebied van Engineering door te werken in een uitdagende, plezierige en professioneel heldere omgeving waar ik mijn technische en logische vaardigheden volledig kan benutten, mezelf voortdurend kan upgraden en kan vergelijken met de besten.
Ik kijk ernaar uit om u te verbinden via LinkedIn –