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【COMSOL 多物理场仿真百科】热膨胀和热应力

COMSOL · 公众号 · 半导体 · 2020-11-27 15:38

正文

当固体材料的温度上升时，其结构体积会因此而增加，这种现象称为热膨胀。受热使得材料的动能增加，从而引发这一过程。

固体分子通常是紧密排列的，因此固体具有一定的结构形状。随着温度的上升，分子开始以更快的速度振动，并相互推挤。这一过程使相邻原子间的距离增大，引起固体发生膨胀，进而使固体结构的体积增大。

支架内部的温度分布。

热膨胀产生热应力

随着结构体积的增加，固体单元会承受更高水平的应力。热应力会对固体结构的强度和稳定性产生很大的影响，并可能使某些组件出现裂纹或断裂。这些故障会破坏结构的整体设计，从而导致潜在的强度减弱和变形。

焊接残余应力便是众多例子中的一个。在焊接过程中，将金属部件的表面熔化并将它们放在一起，这样就能在部件之间形成黏接，当材料再次固化后，它们便会焊接在一起。焊接后的装配结构在冷却过程中，由于热膨胀系数不同，某些焊接区域比其他区域的收缩更大，这就导致焊接区域内产生了残余应力。

支架在外加温度（红色）作用下产生应力，在应力最大的区域，支架发生变形。

在设计中考虑热膨胀

在设计过程中，我们必须考虑热膨胀以及由此产生的应力，才能实现最佳的材料性能。为此，我们需要研究传热与结构力学之间的关系，并将结构的材料和位移场作为研究重点。

以伸缩缝为例。它们经常被应用在建筑物、桥梁和铁路的设计中，用来帮助释放因温度升高而引起的内部应力。这些采用结构件实现分离的设计对位移进行了补偿，在减少结构组件受到的热应力以及结构裂缝控制方面起着至关重要的作用。

然而，某些设计方案却需要利用热膨胀及其产生的应力。在一种称为热配合的过程中，通过将一个外部组件加热到膨胀点，从而使其与对应的内部组件实现装配。这种加热技术形成的连接，可以将两个单独的零件固定在一起。当两个组件达到相同的温度时，连接强度会变得更高。

燃气轮机中的冷却剂管道与定子叶片之间的热交换。

燃气轮机主要用于在高温和高压环境下工作，因此是由能够承受极端条件的组件构成。由于热燃烧气体会流经涡轮的定子和转子，因此，这些组件存在破裂和失效的潜在风险。

为了防止由此造成变形，可以从高压压气机外壳的叶片中抽取冷空气，并由燃烧室将其推进涡轮机壳。此时冷空气作为冷却剂，用于在激烈条件下帮助稳定涡轮部件。在叶片侧表面进行的薄膜冷却以及在管道中进行的内部冷却，会直接作用在燃烧室后部，从而提升涡轮机抵抗热应力的能力。

定子叶片与内部冷却管之间的热交换会使叶片内产生温度梯度。叶片内的温度位移有助于整体结构的冷却，并防止整个叶片达到燃烧气体的温度。冷却剂的存在能够抑制燃气轮机内的热膨胀，以及因体积增加而可能产生的应力。

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