热膨胀和热应力

热膨胀和热应力

结构力学热膨胀和热应力

什么是热膨胀?

随着固体材料的温度升高,结构的体积最终受到增加的影响,即一种称为热膨胀的现象。该过程是由于热量增加材料动能的能力而引起的。

在固体中,分子通常彼此近距离近端,这有助于结构的定义形状。随着温度的升高,分子开始以更快的速度振动并彼此推开。各个原子之间的分离增加会导致固体扩展,从而增加结构的体积。

the bracket.

">托架的模型,显示其中的温度分布。

内部温度分布支架

内部温度分布支架

随着膨胀而有热应力

随着这种体积扩大,固体的元素会承受更大的压力。热应力可能会对结构的强度和稳定性产生重大影响,并可能导致某些组件内的裂缝或断裂。这种故障损害了结构的整体设计,这可能导致可能减弱和变形。

焊接中的残余应力只是一个例子。在焊接中,金属零件之间形成了键,通过熔化其表面并将它们放在一起,以便在材料再次凝固时将它们结合在一起。随着组装结构的冷却,由于热膨胀系数不同,焊接的某些区域往往比其他区域收缩更多。这会导致焊缝区域内的残留应力。

the bracket experiences deformation.

">托架模型由于热膨胀和应力而导致变形。

在施加温度的最大压力区域(以红色显示),支架经历变形

在施加温度的最大压力区域(以红色显示),支架经历变形

解决设计中的热扩展

在设计过程中,重要的是要考虑热膨胀以及产生的应力以实现最佳性能。这涉及研究传热与结构力学之间的关系,重点是结构的材料以及位移场。

以扩展关节为例。它们通常被实施到建筑物,桥梁和铁路的设计中,以帮助释放由于温度升高而引起的内部压力。这些中层结构分离可以补偿运动,并且对于减轻热应力的结构成分至关重要,并有助于控制结构内的裂纹。

但是,在某些情况下,热膨胀及其产生的压力在设计中被包含。在一个被称为收缩拟合,将外部组件加热到扩展点,以将其与内部组件交配。这种加热技术形成了关节,在两个各个部分之间形成了不动容的键。随着两个组件达到相同的温度,该关节变得更强大。

设计热条件的一个示例

设计用于处理高水平的压力和温度,燃气轮机由可以忍受极端条件的组成部分组成。随着热燃烧气体流过涡轮机的指数和转子,这些组件可能会破裂和失败。

为了防止这种变形,从高压压缩机套管中的出血叶片中抽出较冷的空气,并被燃烧室推入涡轮机壳。这是一种冷却剂,可以帮助稳定这些强度条件下的组件。在刀片侧面表面冷却和管道内的内部冷却,直接在燃烧室后面施加,以使涡轮机具有更大的耐热应力。

定子叶片和内部冷却管之间的热交换导致刀片内的温度梯度。刀片内温度的这种位移有助于冷却整体结构,并防止整个叶片达到燃烧气的温度。冷却剂的存在限制了燃气轮机内的热膨胀,并限制了增加体积的潜在应力。

发布:2014年10月31日
最后修改:2017年2月21日