材料热膨胀系数及其在ANSYSWorkbench中的应用
物体由于温度改变有胀缩现象,其变化能力以等压条件下单位温度变化所导致的长度量值的变化(即热膨胀系数,单位1/℃)来表示。大多数情况下,热膨胀系数为正值,即温度升高,体积膨胀。但也有例外,如水在0-4℃之间,温度降低,体积会膨胀。一些陶瓷材料在温度升高的情况下,几乎不发生膨胀,其热膨胀系数接近为0。
在使用材料热膨胀系数时,我们常常发现有两种说法,即平均热膨胀系数和瞬时热膨胀系数。
平均热膨胀系数:单位长度的材料在某一温度区间每升高一度的伸长量。
瞬时热膨胀系数:单位长度的材料在当前温度下每升高一度的伸长量。
如《ASME锅炉与压力容器规范》第II卷附录D的热膨胀系数表中,热膨胀系数分为A、B、C三列,其中A列为瞬时热膨胀系数,B列为平均热膨胀系数,C列为每1m膨胀的长度(单位mm)。从下面的图中我们可以看出,瞬时热膨胀系数曲线在平均热膨胀系数曲线之上。
碳钢、低合金钢的热膨胀系数
在AnsysWorkbench中,当输入材料热膨胀系数属性时,我们也有两种选择,即:SecantCofficient of Thermal Expansion和InstantaneousCofficient of Thermal Expansion,它们就分别对应平均热膨胀系数和瞬时热膨胀系数两种输入方式。
当选择SecantCofficient of Thermal Expansion方式输入数据时,需要输入Zero-Thermal-StrainReferranceTemperature(零热应变参考温度,当数据栏采用随温度变化的热膨胀系数时才有,如果输入固定值则不需要),而选择InstantaneousCofficient of ThermalExpansion方式没有该参数要求。而在计算结构热膨胀的时候,Mechanical中还需要输入EnvironmentTemperature(环境温度)。
不需要输零热应参考变温度
需要输入零热应变参考温度
这些参数是怎么回事?有什么区别?会对计算结果有什么影响?
我们先来通过一个例子,看看现象。
杆件结构总长为2.2m,两侧长杆的长度为1m,左端固定,杆件温度为450℃,材料为碳钢,材料膨胀系数参照ASMEASME锅炉与压力容器规范第II卷附录D,用Ansys计算其自由膨胀量,重点关注A点(为什么关注这里,因为1m长度后面手工好核算而已)。
令材料零应变参考温度为Tr,环境温度为Te,A点的膨胀量为DL,线膨胀系数分别采用SecantCofficient of Thermal Expansion(平均)和InstantaneousCofficient of Thermal Expansion(瞬时)两种方式,DL计算结果如下:
表1 A点膨胀量与Te、Tr的关系
从上表我们可以看到,采用平均膨胀系数方式进行计算时,材料的零应变参考温度对计算结果是有影响的。采用瞬时膨胀系数计算结果与采用平均膨胀系数方式中Te、Tr均为20℃时结果接近。
究竟是什么原因,我们来看看如下两个图形,也许你就会明白其中的缘由了。
通过手工核算与Ansys计算结果对比发现,采用瞬时热膨胀系数时,膨胀量是从20℃到计算温度沿瞬时热膨胀系数曲线进行积分的结果,即图01中阴影面积S1。
01
采用平均膨胀系数时,热膨胀量是图02面积S2+S3,其中:
S2=a(T) *(计算温度-Tr)
S3=a(e) * (Tr-Te)
a(T)为计算温度下的平均膨胀系数,a(e)为环境温度下的平均膨胀系数。
02
通过以上分析,我们知道了在采用AnsysWorkbench进行热膨胀量分析时,不同线膨胀系数输入方式对计算结果有影响,同时材料的零应变参考温度对计算结果也有影响,在实际应用中需加以注意。
完
联系客服