热结构分析简述

简单举例说明热结构分析案例

从事热工作的高水平分析人员

详解(热冲击 热振动 热疲劳)

热结构分析简述

顾名思义就是利用现有的方法，对处于某种温度载荷下的结构进行分析。

例如在有限元中，有很多方法来进行热结构有限元分析的，其中也有很多软件可以进行这方面的分析。例如NASTRAN（通常应用与航空领域）就有很好的热结构分析功能。当然其分析精度也是很高的，但是这方面的专业性要求很大！目前这样的专业人才主要集中在航天航空领域！有一批优秀的博士生在从事这方面的工作。

简单举例说明热结构分析案例

如瞬态热结构分析、集成线路板自由对流分析、电子产品强迫对流分析、热接触分析、航空电子设备热流加热分析、闭合空间热辐射分析、空调流场下分析等等涉及到军事、民用、工业等诸多方面的热分析。这种利用数值模拟的方法再结合实际试验所带来的好处是很多的，能够节约大量的研制试制成本，具有很好的指导作用。

热结构分析是求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理影响的分析。对于热结构分析，在ANSYS中通常常用顺序耦合分析，即先进行热分析求得结构的温度场，然后再进行结构分析。将前面求得的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构中的应力分布。

从事热工作的高水平分析人员

如哈工大航天学院复合材料研究所孙宏伟博士

浙江大学陈智化

航天院所等单位

详解

结构力学中研究温度的变化对结构的强度、刚度和承载能力的影响的一个领域。20世纪中叶，随着飞行器速度的提高,气动加热问题日趋严重；在核反应堆中,结构也处于载荷和高温的联合作用之下。受热结构由于还受到约束或由于温度场的不均匀而产生热应力（见热弹性力学），并可能由此导致结构破坏或产生大变形。分析这些问题时，必须考虑温度因素。热结构分析的研究内容主要有： 热皱损 薄壁结构在热应力单独作用下或热应力和载荷应力的共同作用下发生的屈曲。热应力和载荷应力都是压应力时，总压应力必然大于载荷压应力；另一方面，升温能降低材料的弹性模量（见材料的力学性能），从而降低材料的抗皱损能力。这两方面因素都会促使皱损发生。对于棱柱形薄壁结构，升温往往引起结构的弯曲皱损和扭转皱损。热皱损同常温皱损一样会使原结构变形并降低承载能力。

热冲击

结构中的热应力短时间内大幅度变动的现象。卫星重返大气层时与空气剧烈摩擦使卫星表面温度骤升，大尺寸金属板淬火时突然冷却，这些都能引起热冲击。热冲击能使结构产生应力波而导致破坏；突然冷却会使结构表面剧烈收缩并产生强大的拉应力，使脆性材料结构产生裂纹。即使是塑性材料，也会因突然收缩而脆化，并发生断裂。板壳结构的一侧突然受热，就会产生热压应力，另一侧则产生拉应力。如果板壳结构的热导率很小，则受热表面高温层很薄，热压应力的合力较小，较厚的低温层只需以较小的拉应力与之平衡；如果材料热导率较大，高温层就较厚，较薄的低温层中会产生较大的拉应力，容易造成受拉面破坏；如果热导率很大，则沿板壳法向的温度梯度很小，出现几乎是均匀膨胀的状态，结构就不会破坏。

热振动

结构由于具有惯性，在热冲击作用下会发生一定频率的振动。结构中的温度对结构的刚度、阻尼有很大的影响，因而也会影响振幅和频率。在分析热振动问题时，通常略去惯性力和应力对温度的影响。在研究非线性振动时，必须考虑热应变的影响。

热疲劳

由温度交替变化、温度和载荷都交替变化或高温下载荷交替变化引起的材料或结构的疲劳。一般情况下，温度交替变化会引起结构内部的热应力交替变化，从而导致疲劳。如果结构已承受恒定或交替变化的载荷，则温度引起的热应力和载荷应力叠加会加速结构的疲劳。如果温度或载荷交替变化的幅度较大，则加温和在一个方向加载引起的合应力会引起塑性变形，而降温和在相反方向加载的合应力会引起反向塑性变形，这种反复的塑性变形会使结构迅速疲劳。对一个受交替变化载荷作用的结构，在多数情况下，适当增高温度可延缓疲劳裂纹的扩展，但对过度老化、松弛、再结晶或高温下延性降低的材料组成的结构，增高温度常促使疲劳裂纹的扩展。