热应力热膨胀热变形

汽轮机的热应力、热变形、热膨胀

主要内容：主要介绍汽轮机的热应力、热膨胀和热变形；汽轮机寿命及如何进行汽轮机的寿命管理。

Ⅰ 汽轮机的受热特点

一、汽缸壁的受热特点

汽轮机启停过程是运行中最复杂的工况。在启停过程中，由于温度剧烈变化，各零部件中及它们之间形成较大的温差。导致零部件产生较大的热应力，同时还引起热膨胀和热变形。当应力达到一定水平时，会使高温部件遭受损伤，最终导致部件损坏。

1．汽缸的受热特点

（1）启动时，蒸汽的热量以对流方式传给汽缸内壁，再以导热方式传向外壁，最后经保温层散向大气，汽缸内外壁存在温差，内壁温度高于外壁温度，停机过程则产生相反温差。

（2）影响内外壁温差的主要因素：

①汽缸壁厚度δ，汽缸壁越厚，内外温差越大。 ②材料的导热性能； ③蒸汽对内壁的加热强弱。

加热急剧：温度分布为双曲线型，温差大部分集中在内壁一侧， 热冲击时； 加热稳定：温度分布为直线型，温差分布均匀， 汽轮机稳定运行工况； 缓慢加热：温度分布为抛物线型，内壁温差较大， 实际启动过程中； 2．转子的受热特点

蒸汽的热量以对流方式传给转子外表面，再以导热方式传到中心孔，通过中心孔散给周围环境，在转子外表面和中心孔产生温差，温差取

热应力

温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能

完全自由胀缩而产生的应力。又称变温应力。 基本概念

求解热应力，既要确定温度场，又要确定位移、应变和应力场。与时间无关的温度场称定常温度场,它引起定常热应力;随时间变化的温度场叫非定常温度场，它引起非定常热应力。热应力的求解步骤：①由热传导方程和边界条件（求非定常温度场还须初始条件）求出温度分布；②再由热弹性力学方程求出位移和应力。 全面定义 定义1

所谓热应力是指半成品干燥和烧成热加工中由于温差作用而产生的一种应力.热应力源包括升降温过程中砖坯内外及砖坯与环境温差卜

来源文章摘要：本文定义了彩釉砖板面细小裂纹的随机性，建立它的力学模型．在此基础上阐述了它的形成机理和工艺控制。 定义2

(()热应力:凡由于在搪玻璃材料中存在温度差而产生的应力称为热应力.(2)制胎成型应力:在铁胎制造过程中,由于卷板、冲压、组焊等操作所造成的应力

来源文章摘要：<正> 质量优良的搪玻璃设备,其瓷层表面不仅要具有玻化程度适当,光滑平整致密,色泽均匀一致以及无棕孔、泡影,外来固体夹杂物,尤其不能有裂纹等缺陷。 但是,事实上,在搪玻璃设备的烧成过程中,常常会出现各种

实验一 热膨胀实验

一． 实验目的

1. 了解材料线膨胀系数测定的意义、方法。

2. 了解WTD2智能型热膨胀仪的原理、结构和操作步骤。 3. 学会初步掌握测试数据和曲线的分析方法。

二． 实验原理

现代化大型工程，如高层建筑、铁路、桥梁、航空航天器件等，都是由多 种复杂的材料构成，要经过酷暑寒冬甚至太空中的急剧温度变化，因此必须确切地掌握有关材料的热膨胀系数以及其随温度变化的规律。

利用热膨胀方法对材料进行测定和研究称为“膨胀分析”。它不仅用于膨胀系数的测定，也是研究动态相变过程的有效手段，例如钢中过冷奥氏体的等温转变过程（TTT曲线）和连续冷却转变过程（CCT曲线）的测定，最常用的方法就是膨胀分析。在金属材料研究中，材料的结构转变、再结晶、时效固溶和沉淀析出，往往都伴随着体积的变化，因此可以用膨胀分析法来研究。又如粉末冶金中材料烧结致密度的评定，非晶体材料的软化温度的测定等，也可以用这一方法。

1. 线膨胀系数

线膨胀系数是指与单位温度变化对应的试样单位长度的线膨胀量,当温度从T1变到T2时,试样的长度相应地从L1变到L2, 则材料在该温度区间的平均线膨胀系数α为:

L2－L1 ΔL

α＝

桥氧原子横向热振动引起的负热膨胀机理

齐鲁工业大学材料科学与工程学院 山东济南 250353

摘要：

概述了热膨胀以及负热膨胀的定义，材料热膨胀性能的表示方法，简单说明了热膨胀的机理，介绍了负热膨胀微观机理，并针对桥氧原子横向热振动收缩机理做了详细的说明，利用刚性单元模型对ZrW2O8 的负热膨胀机理做出了解释。最后，讨论了负热膨胀材料的应用前景及发展方向。

关键词：热膨胀；热膨胀系数；负热膨胀材料；负热膨胀机理；桥氧原子横向热振动

引言：

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀，热膨胀是自然界中常见的现象，大多数物质在温度升高时，体积会增大，温度降低时体积缩小。但也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小，这种材料叫做负热膨胀(Negative thermal expansion， 简称NTE)材料。

工业上对不同材料的膨胀系数的要求有所不同，有时需要膨胀系数较高的材料，有时需要膨胀系数较低的材料。在一些特殊的场合，如生产制造航空航天材料、发动机部件、集成线路板、光学器件、热工炉衬、传感器、牙齿填充材料以及家用电器时传统的热胀冷缩的材料已经不能完全满足要求，需要用到热膨胀系数可控的一些材料。另外，

ABAQUS可以求解以下类型的传热问题：

1. 非耦合传热分析：温度场不受应力应变场或电场的影响。应用ABAQUS/Standard可以求解导热问题、强制对流、边界辐射和空腔辐射问题，其分析类型可以是瞬态或稳态的，也可以是线性或非线性的。

2. 顺序耦合热应力分析：应力应变场受温度场的影响，但温度场不受应力应变场的影响。

此类问题用ABAQUS/Standard求解的步骤为：先求解温度场，然后以其作为已知条件，

进行热应力分析，得到应力应变场。分析传热问题和热应力分析可以使用不一样的网格，abaqus会自动进行差值处理（此类问题称为热应力分析）。

3. 完全耦合热应力分析：温度场和应力应变场之间有着强烈的相互作用。

4. 绝热分析：在此类分析中，力学变形会产生热，而且整个过程中时间极短，不发生热扩散。

5. 热电耦合分析：用来求解电流产生的温度场。

7.1热应力分析中的主要问题

设定线胀系数、模型的初始温度场，并可以修改分析步中的温度场。

7.2带孔平板的热应力分析

学习：

在LOAD功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场。

在此模块中可以直接指定温度场或读入分析结果文件中的温度场，可以指定并精确读入某

热膨胀系数thermal expansion coefficient 物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(p 一定)下，单位 温度变化所导致的体积变化，即热膨胀系数表示 热膨胀系数 α=ΔV/(V*ΔT). 式中 ΔV 为所给温度变化 ΔT 下物体体积的改变，V 为物体体积 严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似； 准确定义要求 ΔV 与 ΔT 无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温 度区间内通常不是常量。 温度变化不是很大时，α 就成了常量，利用它，可以把固体和液体体 积膨胀表示如下： Vt=V0(1+3αΔT), 而对理想气体， Vt=V0(1+0.00367ΔT); Vt、V0 分别为物体末态和初态的体积 对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时 的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的 比值，这就是线膨胀系数。 对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。 如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向 异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。 宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个，普遍认可的有

§2-9 热应力计算

● 当物体温度发生变化时，物体将由于膨胀而产生线应变?T，其中

◎ ?为材料的线膨胀系数；

◎ T表示弹性体内任意点的温度改变值(从整个物体处于初始均匀温度状态算起)。

☆ 在平面问题中，它是坐标x,y及时间t的函数。

● 如果物体各部分的热应变均匀且不受任何约束，则虽有变形却不会引起应力。

● 如果物体各部分的温度不均匀，或表面与其他物体相联系，即受到一定的约束，热变形不

能自由地进行，就将产生应力。

? 这种由于温度变化而引起的应力称为“热应力”或“温度应力”。

● 热应力问题与一般应力分析问题相比较，主要是应力-应变关系上稍有差别。

考虑热应力问题的应力-应变关系是：

{?}?[D]({?}?{?0}) (2-59) ? 相当于有一个初应变。（图示）

其中负号是因为热应变对其它应变起抵消作用。 将(2-15)式代入即可写成：

{?}?[D]([B]{?}?{?0}) (2-60) e● 对于平面应力问题，其中

{?0}??T?110? (2-61) T（各个方向自由一致，厚度方向的应变不受限制，所以对应

各种材料热膨胀系数

热膨胀系数（Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE）是指物质在热胀冷缩效应作用之下，几何特性随着温度的变化而发生变化的规律性系数。

实际应用中，有两种主要的热膨胀系数，分別是：

线性热膨胀系数：a=1/L*△L/△T

体积热膨胀系数：γ=1/V0*(аV/аt)p

大多数情况之下，此系数为正值。也就是说温度升高体积扩大。但是也有例外，当水在0到4摄氏度之间，会出现反膨胀。而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。

一些固体的线性热膨胀系数α(单位：10-6/K) 一些液体的体积热膨胀系数γ物质α in 10-6/K 20 °C 物质

α in

10-6/K

20 °C

物质

α in

10-6/K

20 °C

物质

γ in

10-3/K

20 °C 铝23.2 木头, Eiche 8 银19.5 酒精(乙醇) 1.1

纯铝

23.0（铝的热膨胀系

数高达23μm/m.℃。）

不变钢 1.7-2.0 锡 2 丙酮 1.43 锑10.5 铱 6.5 钢13 汽油 1.06 芳纶-4.1 食盐40 不锈钢14.4-16.0 苯 1.23 铍12.3

碳纤维(HM 35 i

§2-9 热应力计算

● 当物体温度发生变化时，物体将由于膨胀而产生线应变?T，其中

◎ ?为材料的线膨胀系数；

◎ T表示弹性体内任意点的温度改变值(从整个物体处于初始均匀温度状态算起)。

☆ 在平面问题中，它是坐标x,y及时间t的函数。

● 如果物体各部分的热应变均匀且不受任何约束，则虽有变形却不会引起应力。

● 如果物体各部分的温度不均匀，或表面与其他物体相联系，即受到一定的约束，热变形不

能自由地进行，就将产生应力。

? 这种由于温度变化而引起的应力称为“热应力”或“温度应力”。

● 热应力问题与一般应力分析问题相比较，主要是应力-应变关系上稍有差别。

考虑热应力问题的应力-应变关系是：

{?}?[D]({?}?{?0}) (2-59) ? 相当于有一个初应变。（图示）

其中负号是因为热应变对其它应变起抵消作用。 将(2-15)式代入即可写成：

{?}?[D]([B]{?}?{?0}) (2-60) e● 对于平面应力问题，其中

{?0}??T?110? (2-61) T（各个方向自由一致，厚度方向的应变不受限制，所以对应

ANSYS热应力分析例题

实例1——圆简内部热应力分折： 有一无限长圆筒，其核截面结构如图13—1

所示，简内壁温度为200℃，外壁温度为20℃，圆筒材料参数如表13．1所示，求圆筒内的温度场、应力场分布。

该问题属于轴对称问题。由于圆筒无限长，忽略圆筒端部的热损失。沿圆筒纵截面取宽度为10M的如图13—2所示的矩形截面作为几何模型。在求解过程中采用间接求解法和直接求解法两种方法进行求解。间接法是先选择热分析单元，对圆筒进行热分析，然后将热分析单元转化为相应的结构单元，对圆筒进行结构分析；直接法是采用热应力藕合单元，对圆筒进行热力藕合分析。 fini clear

/filname,exercise1-jianjie /title,thermal stresses in a long

/prep7 $Et,1,plane55 Keyopt,1,3,1 $Mp,kxx,1,70 Rectng,0.1,0.15,0,0.01 $Lsel,s,,,1,3,