熱結(jié)構(gòu)分析熱沖擊

結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力短時(shí)間內(nèi)大幅度變動(dòng)的現(xiàn)象。衛(wèi)星重返大氣層時(shí)與空氣劇烈摩擦使衛(wèi)星表面溫度驟升，大尺寸金屬板淬火時(shí)突然冷卻，這些都能引起熱沖擊。熱沖擊能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力波而導(dǎo)致破壞；突然冷卻會(huì)使結(jié)構(gòu)表面劇烈收縮并產(chǎn)生強(qiáng)大的拉應(yīng)力，使脆性材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋。即使是塑性材料，也會(huì)因突然收縮而脆化，并發(fā)生斷裂。板殼結(jié)構(gòu)的一側(cè)突然受熱，就會(huì)產(chǎn)生熱壓應(yīng)力，另一側(cè)則產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果板殼結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率很小，則受熱表面高溫層很薄，熱壓應(yīng)力的合力較小，較厚的低溫層只需以較小的拉應(yīng)力與之平衡；如果材料熱導(dǎo)率較大，高溫層就較厚，較薄的低溫層中會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，容易造成受拉面破壞；如果熱導(dǎo)率很大，則沿板殼法向的溫度梯度很小，出現(xiàn)幾乎是均勻膨脹的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不會(huì)破壞。

薄壁結(jié)構(gòu)在熱應(yīng)力單獨(dú)作用下或熱應(yīng)力和載荷應(yīng)力的共同作用下發(fā)生的屈曲。熱應(yīng)力和載荷應(yīng)力都是壓應(yīng)力時(shí)，總壓應(yīng)力必然大于載荷壓應(yīng)力；另一方面，升溫能降低材料的彈性模量（見(jiàn)材料的力學(xué)性能），從而降低材料的抗皺損能力。這兩方面因素都會(huì)促使皺損發(fā)生。對(duì)于棱柱形薄壁結(jié)構(gòu)，升溫往往引起結(jié)構(gòu)的彎曲皺損和扭轉(zhuǎn)皺損。熱皺損同常溫皺損一樣會(huì)使原結(jié)構(gòu)變形并降低承載能力。

結(jié)構(gòu)力學(xué)中研究溫度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和承載能力的影響的一個(gè)領(lǐng)域。20世紀(jì)中葉，隨著飛行器速度的提高，氣動(dòng)加熱問(wèn)題日趨嚴(yán)重；在核反應(yīng)堆中，結(jié)構(gòu)也處于載荷和高溫的聯(lián)合作用之下。受熱結(jié)構(gòu)由于還受到約束或由于溫度場(chǎng)的不均勻而產(chǎn)生熱應(yīng)力（見(jiàn)熱彈性力學(xué)），并可能由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或產(chǎn)生大變形。分析這些問(wèn)題時(shí)，必須考慮溫度因素。熱結(jié)構(gòu)分析的研究?jī)?nèi)容主要包括以下四個(gè)方面。

結(jié)構(gòu)由于具有慣性，在熱沖擊作用下會(huì)發(fā)生一定頻率的振動(dòng)。結(jié)構(gòu)中的溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼有很大的影響，因而也會(huì)影響振幅和頻率。在分析熱振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，通常略去慣性力和應(yīng)力對(duì)溫度的影響。在研究非線性振動(dòng)時(shí)，必須考慮熱應(yīng)變的影響。

由溫度交替變化、溫度和載荷都交替變化或高溫下載荷交替變化引起的材料或結(jié)構(gòu)的疲勞。一般情況下，溫度交替變化會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱應(yīng)力交替變化，從而導(dǎo)致疲勞。如果結(jié)構(gòu)已承受恒定或交替變化的載荷，則溫度引起的熱應(yīng)力和載荷應(yīng)力疊加會(huì)加速結(jié)構(gòu)的疲勞。如果溫度或載荷交替變化的幅度較大，則加溫和在一個(gè)方向加載引起的合應(yīng)力會(huì)引起塑性變形，而降溫和在相反方向加載的合應(yīng)力會(huì)引起反向塑性變形，這種反復(fù)的塑性變形會(huì)使結(jié)構(gòu)迅速疲勞。對(duì)一個(gè)受交替變化載荷作用的結(jié)構(gòu)，在多數(shù)情況下，適當(dāng)增高溫度可延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，但對(duì)過(guò)度老化、松弛、再結(jié)晶或高溫下延性降低的材料組成的結(jié)構(gòu)，增高溫度常促使疲勞裂紋的擴(kuò)展。 2100433B

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