Stress thermique : 23 facteurs importants qui y sont liés

Contenu: Contrainte thermique

Définition des contraintes thermiques

«La contrainte thermique est la contrainte dans le matériau due au changement de température et cette contrainte entraînera une déformation plastique dans le matériau.»

Équation de contrainte thermique | Formule de stress thermique:

La contrainte induite par le changement de température:
σ = Eα∆T
Il est documenté que les changements de température entraîneront l'agrandissement ou la contraction des éléments et si l'incrément de la longueur d'une barre uniforme de longueur L et ∆L est le changement de longueur f en raison du changement de sa température de T0 à T, alors ∆L pourrait être représenté comme
∆L = αL (T - T0)
où α le coefficient de dilatation thermique.

Unité de contrainte thermique:

Unité SI: N / m ^ 2

Contrainte thermique du cerceau:

Stress généré pour le changement thermique.
Supposons qu'un pneu mince de diamètre «d» soit monté sur la roue de diamètre «D».
Si la température du pneu a été modifiée de telle manière que le diamètre du pneu est augmenté et qu'il est devenu égal au diamètre de la roue et si la température du pneu est réduite à l'original, le diamètre du pneu tente de revenir à sa dimension d'origine et à cause de ce processus, une contrainte a été générée dans le matériau du pneu. Cette contrainte est un exemple de thermique stress du cerceau.
donc, la différence de température = t degré.
déformation thermique = Dd / d
Contrainte de cerceau = e. E
Par conséquent,
Contrainte de cercle = (Dd) .E / d

Les analyses thermiques:
Analyse des contraintes thermiques dans ANSYS Workbench | Ansys stress thermique | Analyse des contraintes thermiques Abaqus:

L'objectif de l'analyse thermique est d'étudier le comportement du matériau après application d'un chargement thermique et d'une contrainte thermique. Pour étudier le transfert de chaleur à l'intérieur d'un objet ou entre des objets, l'analyse thermique est utilisée pour la mesure de la température, le gradient thermique et les distributions de flux de chaleur du corps.

Types d'analyses thermiques:

Il existe deux sortes d'analyses thermiques:

Analyse thermique en régime permanent:

L'analyse thermique en régime permanent vise à rechercher la température ou la distribution du flux thermique dans les structures lorsqu'un équilibre est atteint.

Analyse thermique transitoire:

Les ensembles d'analyse thermique transitoire pliés déterminent l'historique temporel de la façon dont le profil de température et d'autres grandeurs thermiques changent avec le temps
En outre, la dilatation ou la contraction thermique des matériaux d'ingénierie entraîne souvent des contraintes thermiques dans les structures, qui peuvent être examinées en effectuant une analyse des contraintes thermiques.

Importance du stress thermique:

L'analyse des contraintes thermiques est essentielle pour déterminer les contraintes thermiques dues aux changements de température dans les structures. Nous pouvons procéder à

Résoudre l'équation K. T = q
⦁ Pour obtenir les champs de changement de température, appliquez initialement le changement de température ΔT comme déformation initiale
⦁ Les relations contrainte-déformation dues au changement de température ont été déterminées en utilisant d'abord des matériaux de cas 1D.
La déformation thermique (ou déformation initiale): εo = αΔT

Étude de cas avec ANSYS Workbench:

Matériau: Aluminium
k = 170 W / (m · K)
ρ = 2800 kg / m3;
c = 870 J / (kg · K)
E = 70 GPa ;
v = 0.3
α = 22 × 10–6 / ° C
Conditions aux limites: température de l'air de 28 ° C; h = 30 W / (m2 · ° C). État d'équilibre: q ′ = 1000 W / m2 sur la base.
Conditions initiales: État d'équilibre: température uniforme de 28 ° C.

• Démarrez ANSYS Workbench
• Créez un système d'analyse thermique en régime permanent:
• Ajouter un nouveau matériel: fourni avec toutes les données fournies.
• Lancez le programme de modélisation de conception.
• Créer un corps
• Lancer le programme thermique en régime permanent
• Générer un maillage
• Appliquer des conditions aux limites.
• Résolvez et récupérez les résultats.

Analyse thermique du moteur refroidi par eau:

Les étapes suivantes sont suivies après la finalisation des spécifications du moteur.

• Conception du système de noyau d'eau et de noyau de tête.
• Conception du système de doublure. (En fonction de ses paramètres tels que l'alésage, la course et l'épaisseur, etc.)
• Conception de la pompe à eau et de l'installation.
• Conception du système de refroidissement et de ses sous-systèmes tels que radiateurs, ventilateurs, conception de refroidisseurs d'huile.

Aspects de l'analyse thermique du bloc moteur:

• Vitesse de l'eau du pont de soupape de culasse (conception de la section transversale dans le noyau de la tête d'eau).
• Analyse des aspects de refroidissement des pistons et des soupapes.
• Analyse de cavitation du liner.
• Analyse de la conception des joints de culasse.

Altération du stress thermique:

L'altération par contrainte thermique est la fracture thermique est une rupture mécanique de la roche due à la dilatation ou à la contraction thermique provoquée par le changement de température.

Effets des contraintes thermiques dans les joints de soudure:
Contrainte thermique en soudage et dans les joints collés:

La température du corps est uniformément1 augmentée,
La tension normale du corps est,
x = y = z = α (T)
Ici,
α est le coefficient de dilatation thermique.
T est la variation de température.
La contrainte est représentée par
σ1 = - E = −α (T) E
de manière similaire, si une plaque plate consistante est retenue sur les côtés et également soumise à une élévation de température constante.
σ2 = - α (T) E (1 − ν)
Les contraintes σ1, σ2 sont appelées contraintes thermiques. Ils surviennent en raison d'un processus naturel lors d'un élément serré ou retenu.

Équation de contrainte thermique pour cylindre | Contrainte thermique dans un cylindre à paroi épaisse:

Cylindre à paroi mince:

Cylindre à paroi épaisse:

Processus de soulagement du stress thermique:

Le processus de traitement thermique est utilisé pour diminuer les contraintes thermiques résiduelles dans les matériaux.
Tout d'abord, la pièce doit être chauffée à 1100-1200 ° F, ce qui permet de soulager les contraintes et de la maintenir pendant une heure par pouce d'épaisseur, puis de la laisser refroidir dans un air tranquille à température.

Dilatation thermique:

Lorsqu'un matériau solide subit une augmentation de la température ou de la différence de température, le volume de la structure du matériau solide augmente, ce phénomène est reconnu comme une dilatation thermique et cet incrément de volume entraînera une augmentation de la contrainte de la structure.

Coef fi cients de la dilatation thermique:

• (Coef fi cients moyens linéaires pour la plage de température 0–100 ° C):
• Aluminium: 23.9(10) −6 Laiton coulé: 18.7(10) −6
• Acier au carbone: 10.8(10) −6 Fonte: 10.6(10) −6
• Magnésium: 25.2(10) −6 Acier au nickel: 13.1(10) −6
• Acier inoxydable: 17.3(10) -6 Tungstène: 4.3(10) −6

Formule des contraintes thermiques dans les barres composites:
Contrainte thermique dans les barres composées:

Les barres composites et les barres composites, lorsqu'elles subissent un changement de température, ont tendance à se contracter ou à se dilater. En général, la déformation thermique est un processus réversible, de sorte que le matériau reprend sa forme réelle lorsque la température a également diminué à sa valeur réelle, bien que certains matériaux ne se comportent pas en fonction de la dilatation et de la contraction thermiques.

Barres en série:

Contrainte thermique et déformation:
Définition des contraintes thermiques et des déformations:

La contrainte produite en raison du changement de température est connue sous le nom de contrainte thermique.
Contrainte thermique = α (t2-t1) .E
La déformation correspondant à la contrainte thermique est appelée déformation thermique.
Déformation thermique = α (t2-t1)

Exemple de contrainte thermique:

Contrainte thermique sur des rails.

Applications de contraintes thermiques:

Moteur, radiateur, échappement, échangeurs de chaleur, centrales électriques, conception de satellites, etc.

Contrainte thermique résiduelle:

Les différences de températures au cours de la fabrication et de l'environnement de traitement sont la principale explication des contraintes thermiques (résiduelles).

Stress induit thermiquement

σ = E ∆L / L

Calcul des contraintes thermiques dans le tuyau:

Les tuyaux se dilatent et se contractent en raison des températures variables.
Le coefficient de dilatation thermique indique le taux de dilatation et de contraction thermiques.

Facteurs affectant le stress thermique:

• Gradient de température.
• Contraction de dilatation thermique.
• Chocs thermiques.

La contrainte thermique dépend du coefficient de dilatation thermique du matériau et si le changement de température est plus important, la contrainte le sera également.

Module d'élasticité en dilatation thermique:

Si la barre est empêchée de se dilater complètement dans la direction axiale, alors la contrainte de compression typique induite est
σ = E ∆L / L
où E est le module d'élasticité.
Donc, la contrainte thermique nécessaire est,
α = –αE (T - T0)
En général, dans un continuum élastique, le processus naturel n'est pas uniforme d'un bout à l'autre et c'est généralement une fonction du temps et de l'espace.
donc les coordonnées spatiales (x, y, z), c'est-à-dire T = T (t, x, y, z).

Limites de l'analyse des contraintes thermiques:

Le corps en compte pourrait également être empêché de se dilater ou de se déplacer dans certaines régions, et les tractions externes pourraient également être appliquées à d'autres régions et le calcul des contraintes dans de telles circonstances peut être assez complexe et difficile à calculer. Ceci ayant également le cas suivant est contraint.

• Disques circulaires minces avec une différence de température égale.
• Cylindre circulaire long. (Cela pourrait être creux et solide)
• Sphère à variation radiale de température. (Cela pourrait être creux et solide)
• Poutre droite de section transversale arbitraire.
• Boîtier à poutre courbe.

Problèmes de stress thermique et solutions:

1) Une tige d'acier d'une longueur de 20 m ayant une température de 10 degrés Celsius. La température est augmentée à 50 degrés Celsius. Trouvez la contrainte thermique produite.
Étant donné: T1 = 10, T2 = 50, l = 20, α = 1210 ^ -6, E = 20010 ^ 9

Contrainte thermique = α (t2-t1) .E

= 1210 ^ -6 (50-10)20010 ^ 9

= 9610 ^ 6 N / m ^ 2.

FAQ / Notes courtes:

Quel est l'effet des contraintes thermiques?

Cela a un effet significatif sur les matériaux et peut conduire à une fracturation, et la déformation plastique dépend de la température et du type de matériau.

Quel matériau peut être utilisé comme isolant thermique et pourquoi ?

Cellulose. Parce qu'il bloque l'air mieux que la fibre de verre et a une faible conductivité thermique.

Quels sont les trois types de stress thermique les plus courants?

Types de stress thermique couramment utilisés:

• Tangentiel
• radial
• axial.

Comment calculer les contraintes thermiques dans le verre ?

La contrainte thermique dans le verre varie à différentes températures.

Contrainte thermique et déformation:

La déformation thermique est la propriété d'une substance de se dilater avec le chauffage et de se contracter avec le refroidissement, normalement une sorte de déformation due au changement de température et ceci est indiqué par le coefficient de dilatation linéaire α.
α = ΔL / L × Δt
Ici,
⦁ α est le coefficient de dilatation linéaire d'une substance (1 / K).
⦁ ΔL est la valeur d'expansion ou de contraction d'une éprouvette (mm).
⦁ L est la longueur réelle.
⦁ Δt est la différence de température mesuré en Kelvin ou degré Celsius.
Plus le coefficient de dilatation thermique est élevé, plus la valeur de la déformation thermique est élevée.

Altération du stress thermique:

L'altération par contrainte thermique est la fracture thermique, une rupture mécanique de la roche due à la dilatation ou à la contraction thermique provoquée par le changement de température.

Quelle est la formule de la contrainte et de la déformation de dilatation thermique?

Formule de stress thermique:

α (t2-t1). E

Formule de déformation thermique:

α (t2-t1).

Quelle est la relation entre la contrainte thermique et la déformation thermique?

Contrainte thermique et déformation thermique dans les cas 2D-3D:
Les changements de température ne donnent pas déformations de cisaillement. Dans les cas 2D et 3D, la déformation totale est souvent donnée par l'équation vectorielle suivante :
= e + εo
Et la relation contrainte-déformation est donnée par
σ = Eεe = E (ε - εo).

Quels paramètres doivent être définis pour les matériaux isotropes pour l'analyse structurelle et thermique dans ANSYS?

• Conductivité thermique isotrope
• Matières
• Coefficient de transfert de chaleur

Si la déformation provoque une contrainte, alors en dilatation thermique libre, pourquoi la contrainte est-elle absente même s'il y a une déformation thermique:

La contrainte est la résistance interne lorsqu'elle est appliquée à une charge externe. Lorsque le matériau est soumis à une charge ou à une force, le matériau tente de résister à la force conduisant à la génération de contraintes.
Si le matériau subit une dilatation thermique libre, le matériau ne subira aucune contrainte interne conduisant à aucune génération de contrainte.

Quels sont quelques exemples de dilatation thermique dans la vie de tous les jours?

⦁ Thermomètres
⦁ Pylônes électriques
⦁ Bandes bimétalliques
⦁ Lignes ferroviaires.

Quelle est l'application de la diffusivité thermique dans le monde réel ?

⦁ Isolation.

La loi de Hooke échoue-t-elle en cas de dilatation thermique ?

La loi de Hook s'applique à une dilatation thermique uniquement lorsqu'il y a une restriction à l'objet soumis à une contrainte thermique. S'il n'y a pas de contrainte appliquée, il n'y aura pas de dilatation et la loi de Hook stipule que la contrainte est directement proportionnelle à la déformation.

Pourquoi le cuivre a-t-il une dilatation thermique si faible? ?

Si le coefficient de dilatation thermique est presque égal pour l'acier et le béton, pourquoi une structure en béton est-elle considérée comme un meilleur pompier?
Si le coefficient de dilatation thermique est presque égal pour l'acier et le béton, alors pourquoi une structure en béton est-elle considérée comme un meilleur pompier:
Une structure en béton a une faible conductivité thermique et ne chauffe pas rapidement. Par conséquent, si le coefficient de dilatation thermique est presque égal pour l'acier et le béton, pourquoi une structure en béton est-elle considérée comme un meilleur pompier?

Pourquoi faisons-nous un flambage de structure statique en fatigue modale thermique non linéaire basée sur la contrainte et la déformation dans Ansys?

C'est une méthode par éléments finis. Pour prédire la résistance exacte et précise des structures, une analyse non linéaire est effectuée. Il prend en compte les modifications des paramètres au fur et à mesure que la charge est appliquée.

Que signifie la capacité thermique?

La capacité thermique du matériau est la quantité de chaleur nécessaire pour modifier la température du matériau par unité de masse de matériau.

Quelle est la différence entre les coefficients de dilatation thermique de l'acier et du cuivre?

Coefficients de dilatation thermique 20 ° C (x10−6 K − 1)
cuivre = 17
acier = 11-13.

A quoi sert la conductivité thermique?

La conductivité thermique est la capacité d'un objet à conduire la chaleur. Il mesure la quantité de chaleur transférée à travers le matériau.

Certains matériaux ont-ils un coefficient de dilatation thermique nul?

Il existe peu de matériaux qui ont un coefficient de dilatation thermique nul.
Mésopores.

Loi de Hooke | Loi de Hooke pour le stress thermique:

th = Eϵth
Si le matériau subit une dilatation thermique libre, le tissu ne subira aucune contrainte interne conduisant à aucune génération de contrainte.

Qu'est-ce que le retrait thermique dans le béton:

Lorsque le béton chaud refroidit à température ambiante, le volume du béton diminue; ce processus est appelé contraction thermique ou retrait thermique dans le béton.

Quel est le meilleur logiciel de simulation et d'analyse pour le génie mécanique, principalement l'analyse structurelle et l'analyse dynamique thermique non requise?

Ansys, Nasttan, Abaqus, 1-deas NX, etc.

Contrainte-déformation thermique: Pourquoi la barre ne se plie pas lorsqu'elle est chauffée par le bas avec une seule extrémité fixée:

Contraintes thermiques dans les poutres en porte-à-faux:

Cas 1: Barre libre fixe:
Si une tige est chauffée par élévation de température, la tige aura tendance à se dilater d'une quantité εo = αLΔT, si la tige est libre à d'autres extrémités, subit une dilatation thermique ε = αΔT,
= εo, e = 0,
σ = E (ε- εo) = E (αΔT- αΔT) = 0
Autrement dit, il n'y a pas de contrainte thermique dans ce cas.

Cas 2: Barre fixe fixe
S'il y a une contrainte sur le côté droit, c'est-à-dire que la barre ne peut pas s'étendre vers la droite, alors nous avons:
= 0,
εe = −εo
σ = E (ε-εo) = E (0- αΔT) = = −αΔT,
= −EαΔT
Ainsi, une contrainte thermique existe.

Les déformations de cisaillement ne changent pas, seules les déformations normales changent.

Si la température change, la taille du corps change, mais cela ne changera pas la forme du corps. Donc, compte tenu de ce fait, la déformation de cisaillement du corps ne change pas.

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Sulochana Dorvé

Je suis Sulochana. Je suis ingénieur en conception mécanique – M.tech en ingénierie de conception, B.tech en génie mécanique. J'ai travaillé comme stagiaire chez Hindustan Aeronautics Limited dans la conception du département armement. J'ai de l'expérience en R&D et en design. Je suis compétent en CAO/FAO/IAO : CATIA | CRÉO | ANSYS Apdl | Établi ANSYS | HYPER MAILLE | Nastran Patran ainsi que dans les langages de programmation Python, MATLAB et SQL.
J'ai une expertise en analyse par éléments finis, conception pour la fabrication et l'assemblage (DFMEA), optimisation, vibrations avancées, mécanique des matériaux composites, conception assistée par ordinateur.
Je suis passionné par le travail et j'apprends volontiers. Mon but dans la vie est d’avoir un but dans la vie et je crois au travail acharné. Je suis ici pour exceller dans le domaine de l'ingénierie en travaillant dans un environnement stimulant, agréable et professionnel où je peux pleinement utiliser mes compétences techniques et logiques, me perfectionner constamment et me comparer aux meilleurs.
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