文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号: 123278
金属材料热弹效应及有限元数值模拟
王为清,杨立,吕事桂,石宏臣
(海军工程大学船舶与动力学院动力工程系,湖北武汉 430033)
(Tel: 027-83443367, E-mail: weiqing0700325@)
摘要材料发生弹性变形时其温度场改变的现象被称为热弹性效应。本文首先以热力学理论为基础,推导出材料弹性变形过程中温度场控制方程。在此基础上,以金属薄板拉伸试件作为数值模拟对象,通过有限元软件ANSYS对其在弹性拉伸范围内的温度场变化规律进行数值模拟,讨论了应变率、一维模型和二维模型以及绝热与非绝热等条件对材料弹性变形过程中温度变化的影响。
关键词热弹效应;温度场;有限元;
中图分类号:TK124 文献标识码:
0 引言作者简介:王为清(1984-),男,博士生,主要从事红外检测与故障诊断研究。Email: weiqing0700325@
导师简介:杨立(1962-)男,教授,博士生导师,博士,主要从事传热、传质、热流体学及应用与热工诊断测量研究。Email:lyang39@
物体在外力作用下发生形变的过程不仅仅是一个力学过程,它必然伴有能量形式的转化,从而使其自身温度发生改变,而且这种温度变化在变形速度快、畸变程度大的情况下尤为明显。当物体的形变发生在弹性范围内时,这种伴有温度改变的效应被称为热弹性效应。
材料弹性变形过程中的温度效应早已被人们所认知。早在1853年,William Thomson[1](Lord Kelvin)就已总结出材料温度变化与材料弹性变形之间的关系,提出了著名的热弹性效应。pton和Webster用实验方法证实了这一理论[2]。但此后一段时间,热弹性理论方面的深入研究相对较少。直到上世纪30年代,当Zener发表了一系列关于固体内耗方面的文章[3-6],热弹性理论研究才又活跃起来。a和Bever[7]研究分析了铁和镍在居里温度点附近的非线性效应,并测量了热弹性响应。到了上世纪50年代,Biot采用不可逆热力学理论将热弹性理论扩展到各向异性、粘弹性、以及塑料材料领域[8-11]。
由于金属材料及其合金材料在弹性变形范围内温度变化通常较小,一般不超过1K。因此,金属材料热弹性效应的应用研究高度依赖于测温技术的发展。1967年,Belgen[12,13]第一次进行了非接触式热弹性应力测量分析,他用红外辐射计测量悬臂梁在振动过程中由于应力变化引起的微小温度变化。但由于当时技术水平的限制,该类仪器的热灵敏度比较低,还不能达到科学研究与工程应用的要求。20世纪80年代以后,得益于光电技术和信号处理技术的快速发展,红外热像测温系统的温度分辨率和空间分辨率都有了质的提高,
从而为热弹性效应的应用研究奠定了物质基础。此后,各国学者对热弹性效应展开了广泛的实验应用研究。
基于红外测温的热弹性效应的典型应用是对材料弹性变形过程中的应力进行非接触式测量,即热弹性应力分析[14,15],这方面应用比较成功的是英国开发的热辐射应力图像分析技术,简称为SPATE技术(Stress Pattern Analysis by Thermal Emission)。另外,该技术还可应用于检测材料或结构内的损伤和缺陷,如Stanley[16]等就尝试将该技术