热应力测试方法

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

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

§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

§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,

第3 O卷第 9期 2 0 1 3年 9月

机

电

工

程

V01 . 3 0 No . 9 Se p .2 01 3

J o u r n a l o f Me c h a n i c a l& E l e c t i r c l a En g i n e e i r n g

D O I: 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 1— 4 5 5 1 . 2 0 1 3 . 0 9 . 0 2 7

I GB T模块封装热应力研究冰翟超，郭清，盛况(浙江大学应用电子系，浙江杭州 3 1 0 0 2 7 )摘要：为解决绝缘栅双极型晶体管 ( I G B T )模块在实际应用的可靠性提高、预测模块的寿命等问题，将有限元仿真技术应用到实际可靠性温度循环试验中。开展了多层结构的热应力理论分析，建立了层状结构的最大热应力和 I G B T模块在实际应用中分层率之间的关系，提出了“通过计算模块在工作环境下的温度变化产生的最大热应力来预测模块实际使用过程中分层率的变化情况”的方法。进行了 I G B T模块的温度循环可靠性试验。试验结果表明，通过利用最大热应力来预测 I G B T模块分层率的方法与实验结果相

吻合，计算结果比较精

薄膜的残余应力测试

一、薄膜应力分析

图一、薄膜应变状态与应力

薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。

造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作

薄膜的残余应力测试

一、薄膜应力分析

图一、薄膜应变状态与应力

薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。

造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作

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

三：常用塑料：

1. PA、PVC、PMMA、PC、POM、PE、PP、ABS、PS、EVA以及一些混合物。 2. 常用塑料特征、性能： 2．1.PA（尼龙）：8026上盖、532支撑体、049D内芯等。

①原色为乳白、微褐，燃烧缓慢，离火后慢熄，火焰呈上黄下蓝，熔融滴落，起泡，有特殊的羊皮或指甲烧焦气味。 ②较好的物理、机械性能，

③应力测试：正丙烷、乙 无开裂、裂纹。

2．2.PVC：聚氯乙烯

①原色为无色透明，难燃离火即灭，火焰上黄下绿，白烟，燃烧变软有刺激性酸味。紫外线下，使PVC产生浅蓝、紫白的莹光。软的PVC发蓝或蓝白的荧光。 ②根据增剂的不同分为硬质和软质，硬质PVC采用分子量小的树脂，不含5%的曾剂，机械强度好，耐腐蚀、耐阳光、耐燃烧，软质PVC采用分子量较大的树脂，加入30%-70%增剂制成柔韧性好，抗化学药品性强。

2．3.PMMA：有机玻璃、压克力 ①原色为无色透明、易燃、离火后继续燃烧，火焰上黄下浅蓝，熔融滴落，加热到 120°C可自由弯曲，不自浊，冒出特有的压克力臭，易熔于丙酮、苯。 ②高透明性耐光折射率高，用