Termomechanika materiału liniowo-sprężystego

Powiązany artykuł: Silnik rakietowy jako subsystem

Abstrakcyjny model jednorodnego materiału pokazuje różnicę między swobodnym rozszerzeniem a naprężeniem po skrępowaniu. Nie przewiduje pęknięć ani odspojeń.

Dane wejściowe

Aktualna jednorodna temperatura.
Stan bez odkształcenia cieplnego.
Liniowy współczynnik cieplny.
Stała sztywność liniowa.
Musi być mniejszy od 0,5.
0 oznacza rozszerzenie swobodne, 1 pełne.
Umowna wartość do stosunku marginesu.

Wyniki

Zmiana temperatury26.85 K
Swobodne odkształcenie cieplne0.0027 –
Naprężenie przy częściowym skrępowaniu12204.5455 Pa
Stosunek dopuszczalne / obliczone81.9367 –

To jednorodny model liniowo-sprężysty; nie przewiduje pęknięcia, odspojenia ani lepkosprężystości.

Równania i granice

ΔT=T−Tref; εT=αΔT; εx=εy=(1−fk)εT; σreakcji=fk EεT/(1−ν)

Jednorodny, izotropowy materiał w cienkim, równomiernie ogrzanym elemencie: płaski stan naprężenia σz=0, jednakowe odkształcenie i naprężenie w kierunkach x i y oraz brak ścinania. σreakcji używa konwencji „ściskanie dodatnie”: ogrzewanie przy fk>0 daje dodatnią reakcję ściskającą, chłodzenie ujemną reakcję rozciągającą. Własności są stałe; model nie opisuje relaksacji, pełzania ani innej lepkosprężystości.

Interpretacja wyniku: Rachunek jest bezpośrednim obliczeniem podanych równań. Nie oznacza to dokładnego odwzorowania obiektu rzeczywistego: trafność fizyczna pozostaje ograniczona przez jawne założenia modelu.

Podstawa konkretnego równania

B.A. Boley, J.H. Weiner, Theory of Thermal Stresses, Wiley 1960 (Dover reprint 1997) — podstawy liniowej izotropowej termosprężystości. S.P. Walker, J.E. Warren, Thermostructural Evaluation of Joggle Region on the Shuttle Orbiter’s Wing Leading Edge, NASA/TM–2012-217571 — jawna relacja konstytutywna dla cienkiego elementu przy σz=0, σx=σy i pomijalnym ścinaniu. Parametr fk jest lokalnym uproszczeniem kalkulatora, a nie korelacją zaczerpniętą z tych źródeł. Powiązanie z tym kalkulatorem: ΔT=T−Tref; εT=αΔT; εx=εy=(1−fk)εT; σreakcji=fk EεT/(1−ν).

Przypadek mechaniczny i wyprowadzenie

Wartość naprężenia nie jest uniwersalnym skutkiem samej zmiany temperatury. Wynika z przyjętego, równomiernego skrępowania cienkiego elementu w dwóch kierunkach jego płaszczyzny.

Oznaczenia

SymbolZnaczenieJednostka
T, Tref, ΔTtemperatura aktualna, temperatura stanu bez naprężeń i ich różnicaK
αliniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej1/K
E, νmoduł Younga i współczynnik PoissonaPa; –
fkumowny udział zablokowanego swobodnego odkształcenia; 0 oznacza brak skrępowania, 1 pełne skrępowanie dwuosiowe–
σreakcjireakcja naprężeniowa w obu kierunkach płaszczyzny, ze ściskaniem dodatnimPa

1. Swobodne odkształcenie cieplne

ΔT=T−Tref

εT=αΔT

Gdy fk=0, element przyjmuje εx=εy=εT i nie powstaje reakcja naprężeniowa.

Charakter zależności: Liniowa izotropowa rozszerzalność cieplna.

2. Równanie konstytutywne płaskiego stanu naprężenia

εx=(σx−νσy)/E+αΔT

εy=(σy−νσx)/E+αΔT

σz=0; σx=σy

Dla jednakowej reakcji dwuosiowej relacja redukuje się do ε=(1−ν)σ/E+αΔT, gdzie σ ma klasyczny znak: rozciąganie dodatnie.

Charakter zależności: Prawo Hooke’a liniowej izotropowej termosprężystości oraz warunek płaskiego stanu naprężenia.

3. Częściowe skrępowanie

εx=εy=(1−fk)αΔT

σx=σy=−fk EαΔT/(1−ν)

σreakcji=−σx=fk EαΔT/(1−ν)

fk liniowo interpoluje między odkształceniem swobodnym i pełnym skrępowaniem. Wynik kalkulatora jest reakcją ze ściskaniem dodatnim, stąd znak przeciwny do konwencji tensora naprężeń.

Charakter zależności: Równania konstytutywne są fizyczne; liniowa parametryzacja fk jest jawnym uproszczeniem tego kalkulatora.

Stałe, gałęzie i ograniczenia

Odtwarzalny przypadek dla danych domyślnych

Statyczny punkt regresyjny. Wartości wejściowe, oczekiwane wyniki i tolerancje są publikowane, aby zmianę modelu można było wykryć i niezależnie odtworzyć.

Dane wejściowe

ParametrWartość
Temperatura320 K
Temperatura odniesienia293.15 K
Rozszerzalność0.0001 1/K
Moduł Younga5000000 Pa
Współczynnik Poissona0.45 –
Stopień skrępowania0.5 –
Naprężenie porównawcze1000000 Pa

Oczekiwane wyniki i tolerancje

WynikWartość oczekiwanaTolerancja bezwzględna
Zmiana temperatury26.85 K2.685e-8 K
Swobodne odkształcenie cieplne0.002685 –2.685e-12 –
Naprężenie przy częściowym skrępowaniu12204.5454545455 Pa1.22045454545455e-5 Pa
Stosunek dopuszczalne / obliczone81.9366852886405 –8.19366852886405e-8 –

Lokalny indeks

Przeszukaj serwis