Thermischer Stress: 23 wichtige Faktoren, die damit zusammenhängen

Inhalt: Thermische Beanspruchung

Definition der thermischen Beanspruchung

"Thermische Beanspruchung ist die Beanspruchung des Materials aufgrund der Temperaturänderung, und diese Beanspruchung führt zu einer plastischen Verformung des Materials."

Wärmespannungsgleichung | Formel für thermische Beanspruchung:

Die durch Temperaturänderung verursachte Spannung:
σ = Eα∆T
Es ist dokumentiert, dass Änderungen der Temperatur dazu führen, dass sich Elemente vergrößern oder zusammenziehen. Wenn die Länge eines einheitlichen Balkens der Länge L und ∆L inkrementiert wird, ändert sich die Länge, da die Temperatur von T0 nach T geändert wurde, dann könnte ∆L dargestellt werden als
∆L = αL (T - T0)
wobei α der Wärmeausdehnungskoeffizient ist.

Thermische Belastungseinheit:

SI-Einheit: N / m ^ 2

Thermische Reifenbelastung:

Für die thermische Veränderung erzeugte Spannung.
Nehmen wir an, dass ein dünner Reifen mit dem Durchmesser 'd' auf das Rad mit dem Durchmesser 'D' gepasst hat.
Wenn die Temperatur des Reifens so geändert wurde, dass der Durchmesser des Reifens zunimmt und gleich dem Durchmesser des Rads geworden ist, und wenn die Temperatur des Reifens auf den ursprünglichen Wert verringert wird, versucht der Reifendurchmesser, auf diesen zurückzukehren sein ursprüngliches Maß verloren und durch diesen Vorgang ist im Reifenmaterial eine Spannung entstanden. Dieser Stress ist ein Beispiel für Thermal Reifenstress.
also ist die Temperaturdifferenz = t Grad.
thermische Belastung = Dd / d
Reifenspannung = e. E.
Daher
Umfangsspannung = (Dd) .E / d

Thermische Analyse:
Thermische Spannungsanalyse in ANSYS Workbench | Ansys thermische Belastung | Abaqus thermische Spannungsanalyse:

Ziel der thermischen Analyse ist es, das Verhalten von Material nach Anwendung thermischer Belastung und thermischer Beanspruchung zu untersuchen. Zur Untersuchung der Wärmeübertragung innerhalb eines Objekts oder zwischen Objekten wird die thermische Analyse zur Temperaturmessung, zum Wärmegradienten und zur Wärmeflussverteilung des Körpers verwendet.

Arten der thermischen Analyse:

Es gibt zwei Arten der thermischen Analyse:

Steady-State-Thermoanalyse:

Die stationäre thermische Analyse zielt darauf ab, die Temperatur- oder Wärmeflussverteilung in Strukturen zu ermitteln, wenn ein Gleichgewicht erreicht ist.

Transiente thermische Analyse:

Gebogene transiente thermische Analysesätze bestimmen den zeitlichen Verlauf, wie sich das Temperaturprofil und andere thermische Größen mit der Zeit ändern
Auch die Wärmeausdehnung oder -kontraktion von technischen Materialien führt häufig zu thermischen Spannungen in Strukturen, die durch Durchführung einer thermischen Spannungsanalyse untersucht werden können.

Bedeutung der thermischen Beanspruchung:

Die Analyse der thermischen Beanspruchung ist wichtig, um die thermischen Beanspruchungen aufgrund von Temperaturänderungen in Strukturen zu bestimmen. Wir können fortfahren

Löse Gleichung K. T = q
⦁ Um die Temperaturänderungsfelder zu erhalten, wenden Sie zunächst die Temperaturänderung ΔT als Anfangsdehnung an
⦁ Die Spannungs-Dehnungs-Beziehungen aufgrund von Temperaturänderungen wurden zuerst unter Verwendung von 1D-Gehäusematerialien bestimmt.
Die thermische Dehnung (oder Anfangsdehnung): & epsi; o = & agr; & Dgr; T.

Fallstudie mit ANSYS Workbench:

Material: Aluminium
k = 170 W / (m · K)
= 2800 kg / m³;
c = 870 J / (kg · K)
E = 70 GPa;
v = 0.3
α = 22 × 10–6 / ° C.
Randbedingungen: Lufttemperatur von 28 ° C; h = 30 W / (m 2 · ° C). Steady State: q '= 1000 W / m2 auf der Basis.
Ausgangsbedingungen: stationär: Gleichmäßige Temperatur von 28 ° C.

• Starten Sie die ANSYS Workbench
• Erstellen Sie ein stationäres thermisches Analysesystem:
• Neues Material hinzufügen: mit allen angegebenen Daten versehen.
• Starten Sie das Design Modeler-Programm.
• Körper erstellen
• Starten Sie das stationäre Wärmeprogramm
• Netz erzeugen
• Randbedingungen anwenden.
• Ergebnisse lösen und abrufen.

Thermische Analyse eines wassergekühlten Motors:

Die folgenden Schritte werden nach Abschluss der Motorspezifikation ausgeführt.

• Design des Wasserkern- und Kopfkernsystems.
• Design des Linersystems. (Basierend auf seinen Parametern wie Bohrung, Hub und Dicke usw.)
• Design der Wasserpumpe und Installation.
• Design des Kühlsystems und seiner Subsysteme wie Kühler, Lüfter, Design des Ölkühlers.

Aspekte der thermischen Analyse des Motorblocks:

• Wassergeschwindigkeiten der Zylinderkopfventilbrücke (Konstruktion des Querschnitts im Quellwasserkern).
• Analyse des Aspekts der Kolben- und Ventilkühlung.
• Analyse der Auskleidungskavitation.
• Analyse der Zylinderkopfdichtung.

Verwitterung durch thermische Beanspruchung:

Wärmespannungsverwitterung ist der thermische Bruch ist ein mechanischer Abbau von Gestein aufgrund von Wärmeausdehnung oder -kontraktion, die durch die Temperaturänderung verursacht wird.

Auswirkungen thermischer Spannungen in Schweißverbindungen:
Thermische Beanspruchung beim Schweißen und in Klebeverbindungen:

Die Körpertemperatur wird gleichmäßig erhöht1,
Die normale Belastung des Körpers ist,
x = y = z = α (T)
Hier
α ist der Koeffizient von Wärmeausdehnung.
T ist die Temperaturvariation.
Der Stress wird dargestellt als
σ1 = - E = - α (T) E.
in ähnlicher Weise, wenn eine gleichmäßige flache Platte an den Seiten zurückgehalten wird und auch einem konstanten Temperaturanstieg ausgesetzt ist.
σ2 = - α (T) E (1 - ν)
Die Spannungen σ1, σ2 werden als thermische Spannungen bezeichnet. Sie entstehen aufgrund eines natürlichen Prozesses während eines geklemmten oder zurückgehaltenen Elements.

Wärmespannungsgleichung für Zylinder | Thermische Beanspruchung in dickwandigen Zylindern:

Dünnwandiger Zylinder:

Dickwandiger Zylinder:

Thermischer Spannungsabbau:

Das Verfahren der Wärmebehandlung wird verwendet, um die thermischen Restspannungen in den Materialien zu verringern.
Zuerst muss das Teil auf 1100-1200 ° F erhitzt werden, was zur Entlastung führt, und es dort eine Stunde pro Zoll Dicke halten und dann in ruhiger Luft bei Temperatur abkühlen lassen.

Wärmeausdehnung:

Wenn ein festes Material eine Zunahme der Temperatur oder der Temperaturdifferenz erfährt, nimmt das Volumen der Struktur des festen Materials zu, dieses Phänomen wird als Wärmeausdehnung anerkannt und dieses Volumeninkrement führt zu einer Zunahme der Spannung der Struktur.

Wärmeausdehnungskoeffizienten:

• (Lineare mittlere Koeffizienten für den Temperaturbereich 0–100 ° C):
• Aluminium: 23.9(10) -6 Messing, gegossen: 18.7(10) –6
• Kohlenstoffstahl: 10.8(10) -6 Gusseisen: 10.6(10) –6
• Magnesium: 25.2(10) -6 Nickelstahl: 13.1(10) –6
• Edelstahl: 17.3(10) –6 Wolfram: 4.3(10) –6

Thermische Spannungen in Verbundstangen Formel:
Thermische Beanspruchung in Verbundstäben:

Verbundstäbe und Verbundstäbe neigen bei Temperaturänderungen dazu, sich zusammenzuziehen oder auszudehnen. Im Allgemeinen ist die thermische Belastung ein reversibler Prozess, sodass das Material in seine tatsächliche Form zurückkehrt, wenn die Temperatur ebenfalls auf seinen tatsächlichen Wert abfällt, obwohl es einige Materialien gibt, die sich nicht entsprechend der thermischen Ausdehnung und Kontraktion verhalten.

Bars in Serie:

Thermische Beanspruchung und Dehnung:
Definition der thermischen Beanspruchung und Dehnung:

Die durch Temperaturänderung erzeugte Spannung wird als thermische Spannung bezeichnet.
Thermische Spannung = α (t2-t1) .E
Die der thermischen Beanspruchung entsprechende Dehnung wird als thermische Dehnung bezeichnet.
Wärmespannung = α (t2-t1)

Beispiel für thermische Beanspruchung:

Thermische Belastung auf Schienen.

Thermische Belastungsanwendungen:

Motor, Kühler, Abgas, Wärmetauscher, Kraftwerke, Satellitendesign usw.

Thermische Eigenspannung:

Unterschiede innerhalb der Temperaturen während der Herstellungs- und Handelsumgebung sind die beste Erklärung für thermische (Rest-) Spannungen.

Thermisch induzierter Stress

σ = E ∆L / L.

Berechnung der thermischen Beanspruchung im Rohr:

Rohre dehnen sich aufgrund variabler Temperaturen aus und ziehen sich zusammen.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient zeigt die Geschwindigkeit der Wärmeausdehnung und -kontraktion.

Faktoren, die die thermische Belastung beeinflussen:

• Temperaturgefälle.
• Wärmeausdehnungskontraktion.
• Thermoschocks.

Die Wärmespannung hängt vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials ab. Wenn die Temperaturänderung größer ist, ist auch die Spannung höher.

Elastizitätsmodul bei der Wärmeausdehnung:

Wenn verhindert wird, dass sich die Stange vollständig in axialer Richtung ausdehnt, ist die typische Druckspannung induziert
σ = E ∆L / L.
wobei E der Elastizitätsmodul ist.
Die erforderliche thermische Belastung ist also:
α = –αE (T - T0)
Im Allgemeinen ist in einem elastischen Kontinuum der natürliche Prozess durchgehend ungleichmäßig, und dies ist normalerweise eine Funktion von Zeit und Raum.
daher sind die Raumkoordinaten (x, y, z), dh T = T (t, x, y, z).

Einschränkungen der thermischen Spannungsanalyse:

Der berücksichtigte Körper könnte in einigen Regionen auch von Expansion oder Bewegung abgehalten werden, und externe Traktionen könnten auch auf andere Regionen angewendet werden, und die Stressberechnung könnte unter solchen Umständen recht komplex und schwierig zu berechnen sein. Dies ist auch mit folgendem Fall eingeschränkt.

• Dünne kreisförmige Scheiben mit gleichem Temperaturunterschied.
• Langer Kreiszylinder. (Dies könnte hohl und massiv sein)
• Kugel mit radialer Temperaturschwankung. (Dies könnte hohl und massiv sein)
• Gerader Balken mit beliebigem Querschnitt.
• Gebogenes Balkengehäuse.

Thermische Belastungsprobleme und Lösungen:

1) Ein Stahlstab mit einer Länge von 20 m und einer Temperatur von 10 Grad Celsius. Die Temperatur wird auf 50 Grad Celsius erhöht. Finden Sie die erzeugte thermische Belastung.
Gegeben: T1 = 10, T2 = 50, l = 20, α = 1210 ^ -6, E = 20010 ^ 9

Thermische Spannung = α (t2-t1) .E

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

= 9610 ^ 6 N / m ^ 2.

FAQ / Kurznotizen:

Wie wirken sich thermische Spannungen aus?

Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Materialien und kann zu Brüchen führen. Die plastische Verformung hängt von der Temperatur und dem Materialtyp ab.

Welches Material kann als Wärmeisolator verwendet werden und warum? ?

Zellulose. Weil es Luft besser blockiert als Glasfaser und eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat.

Was sind die drei häufigsten Arten von Hitzestress?

Häufig verwendete Arten von Hitzestress:

• Tangential
• radial
• axial.

Berechnung der thermischen Spannungen in Glas ?

Die thermische Belastung in Glas wird bei verschiedenen Temperaturen variiert.

Thermische Beanspruchung und Verformung:

Die thermische Verformung ist die Eigenschaft einer Substanz, sich beim Erhitzen auszudehnen und beim Abkühlen zusammenzuziehen, normalerweise eine Art Verformung aufgrund von Temperaturänderungen, und dies wird durch den linearen Ausdehnungskoeffizienten α angegeben.
α = ΔL / L × Δt
Hier
⦁ α ist der lineare Ausdehnungskoeffizient einer Substanz (1 / K).
⦁ ΔL ist der Expansions- oder Kontraktionswert einer Probe (mm).
⦁ L ist die tatsächliche Länge.
⦁ Δt ist die Temperaturdifferenz gemessen in Kelvin oder Grad Celsius.
Je höher der Wärmeausdehnungskoeffizient ist, desto höher ist der Wert der thermischen Verformung.

Verwitterung durch thermische Beanspruchung:

Wärmespannungsverwitterung ist der thermische Bruch a, ein mechanischer Abbau des Gesteins aufgrund von Wärmeausdehnung oder -kontraktion, der durch die Temperaturänderung verursacht wird.

Wie lautet die Formel für Wärmeausdehnungsspannung und -dehnung?

Formel für thermische Beanspruchung:

α (t2-t1). E.

Formel für die thermische Dehnung:

α (t2-t1).

Welche Beziehung besteht zwischen thermischer Belastung und thermischer Belastung?

Thermische Beanspruchung und thermische Beanspruchung in 2D-3D-Fällen:
Temperaturänderungen geben nicht nach Scherbeanspruchungen. Sowohl in 2-D- als auch in 3-D-Fällen wird die gesamte Dehnung häufig durch die folgende Vektorgleichung angegeben:
= εe + εo
Und die Spannungs-Dehnungs-Beziehung ist gegeben durch
σ = Eεe = E (ε - εo).

Welche Parameter müssen für isotrope Materialien für die Struktur- und Wärmeanalyse in ANSYS definiert werden?

• Isotrope Wärmeleitfähigkeit
• Werkstoff
• Hitzeübertragungskoeffizient

Wenn Dehnung Stress verursacht, warum fehlt bei freier Wärmeausdehnung trotz thermischer Dehnung keine Spannung:

Spannung ist der Innenwiderstand bei Belastung einer externen Last. Wenn das Material einer Belastung oder Kraft ausgesetzt ist, versucht das Material, der Kraft zu widerstehen, die zur Spannungserzeugung führt.
Wenn das Material einer freien Wärmeausdehnung unterliegt, erfährt das Material keine innere Spannung, was zu keiner Spannungserzeugung führt.

Was sind einige Beispiele für Wärmeausdehnung im Alltag?

⦁ Thermometer
⦁ Elektrische Pylone
⦁ Bimetallstreifen
⦁ Eisenbahnlinien.

Was ist die Anwendung der thermischen Diffusivität in der realen Welt ?

⦁ Isolierung.

Versagt das Hookesche Gesetz bei Wärmeausdehnung? ?

Das Hooksche Gesetz gilt für eine Wärmeausdehnung nur dann, wenn das thermisch belastete Objekt eingeschränkt ist. Wenn keine Spannung angewendet wird, gibt es keine Ausdehnung und das Hooksche Gesetz besagt, dass die Spannung direkt proportional zur Dehnung ist.

Warum hat Kupfer eine so geringe Wärmeausdehnung? ?

Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient sowohl für Stahl als auch für Beton nahezu gleich ist, warum wird dann eine Betonkonstruktion als besserer Feuerwehrmann angesehen?
Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient sowohl für Stahl als auch für Beton nahezu gleich ist, warum wird dann eine Betonkonstruktion als besserer Feuerwehrmann angesehen:
Eine Betonkonstruktion hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und erwärmt sich nicht schnell. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient sowohl für Stahl als auch für Beton nahezu gleich ist, warum wird dann eine Betonkonstruktion als besserer Feuerwehrmann angesehen?

Warum knicken wir in Ansys die modale thermische nichtlineare Ermüdung aufgrund von Spannungen und Dehnungen?

Es ist eine Finite-Elemente-Methode. Um die genaue und genaue Festigkeit der Strukturen vorherzusagen, wird eine nichtlineare Analyse durchgeführt. Es berücksichtigt die Änderungen der Parameter, wenn die Last angelegt wird.

Was bedeutet Wärmekapazität?

Die Wärmekapazität des Materials ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Materialtemperatur um die Masseeinheit des Materials zu ändern.

Was ist der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Kupfer?

Wärmeausdehnungskoeffizienten 20 ° C (x10−6 K - 1)
Kupfer = 17
Stahl = 11-13.

Was ist die Verwendung der Wärmeleitfähigkeit?

Wärmeleitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Objekts, Wärme zu leiten. Es misst die Wärmemenge, die durch das Material übertragen wird.

Haben Materialien einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Null?

Es gibt nur wenige Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Null.
Mesoporen.

Hookesches Gesetz | Hookesches Gesetz für thermische Beanspruchung:

th = Eϵth
Wenn das Material einer freien Wärmeausdehnung unterliegt, erfährt der Stoff keine innere Spannung, was zu keiner Spannungserzeugung führt.

Was ist Wärmeschrumpfung in Beton:

Wenn der heiße Beton auf Umgebungstemperatur abkühlt, verringert sich das Volumen des Betons; Dieser Vorgang wird als Wärmekontraktion oder Wärmeschrumpfung in Beton bezeichnet.

Was ist die beste Simulations- und Analysesoftware für den Maschinenbau, hauptsächlich Strukturanalyse und dynamische Analyse thermisch nicht erforderlich?

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

Thermische Beanspruchung: Warum biegt sich die Stange nicht, wenn sie von unten erwärmt wird, wobei nur ein Ende befestigt ist:

Thermische Spannungen in Kragträgern:

Fall 1: Freie Leiste behoben:
Wenn ein Stab durch Temperaturanstieg erwärmt wird, neigt der Stab dazu, sich um den Betrag & egr; o = & agr; L & Dgr; T auszudehnen, wenn der Stab an anderen Enden frei ist, erfährt er eine Wärmeausdehnung & egr; = & agr; & Dgr; T,
= εo, εe = 0,
σ = E (ε- εo) = E (αΔT- αΔT) = 0
Das heißt, in diesem Fall gibt es keine thermische Belastung.

Fall 2: Feste Stange
Wenn es auf der rechten Seite eine Einschränkung gibt, das heißt, die Leiste kann nicht richtig erweitert werden, dann haben wir:
= 0,
εe = −εo
σ = E (ε-εo) = E (0- αΔT) = = −αΔT,
σ = –EαΔT
Somit besteht thermische Belastung.

Scherdehnungen ändern sich nicht nur normale Dehnungen.

Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich die Größe des Körpers, obwohl sich die Form des Körpers nicht ändert. In Anbetracht dieser Tatsache ändert sich die Scherbeanspruchung des Körpers nicht.

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Sulochana Dorve

Ich bin Sulochana. Ich bin Maschinenbauingenieur – M.Tech in Design Engineering, B.Tech in Maschinenbau. Ich habe als Praktikant bei Hindustan Aeronautics Limited im Design der Rüstungsabteilung gearbeitet. Ich habe Erfahrung in der Forschung und Entwicklung sowie im Design. Ich beherrsche CAD/CAM/CAE: CATIA | CREO | ANSYS Apdl | ANSYS Workbench | HYPER-Mesh | Nastran Patran sowie in den Programmiersprachen Python, MATLAB und SQL.
Ich verfüge über Fachkenntnisse in den Bereichen Finite-Elemente-Analyse, Design for Manufacturing and Assembly (DFMEA), Optimierung, Advanced Vibrations, Mechanik von Verbundwerkstoffen und computergestütztes Design.
Ich arbeite leidenschaftlich gerne und bin ein lernbegieriger Mensch. Mein Lebenszweck besteht darin, ein Leben mit Sinn zu führen, und ich glaube an harte Arbeit. Ich bin hier, um auf dem Gebiet des Ingenieurwesens hervorragende Leistungen zu erbringen, indem ich in einem herausfordernden, unterhaltsamen und beruflich interessanten Umfeld arbeite, in dem ich meine technischen und logischen Fähigkeiten voll ausschöpfen, mich ständig weiterentwickeln und mich mit den Besten messen kann.
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