Estrés térmico: 23 factores importantes relacionados con él

Contenido: Estrés térmico

Definición de estrés térmico


"La tensión térmica es la tensión en el material debido al cambio de temperatura y esta tensión conducirá a una deformación plástica en el material".

Ecuación de estrés térmico | Fórmula de estrés térmico:


El estrés inducido debido al cambio de temperatura:
σ = Eα∆T
Está documentado que los cambios en la temperatura harán que los elementos se agranden o se contraigan y si el incremento en la longitud de una barra uniforme de longitud L y ∆L es el cambio de longitud f debido a que su temperatura se ha cambiado de T0 a T, entonces ∆L podría ser representado como
∆L = αL (T - T0)
donde α el coeficiente de expansión térmica.

Unidad de estrés térmico:

Unidad SI: N / m ^ 2

Estrés del aro térmico:

Estrés generado por cambio térmico.
Supongamos que un neumático delgado que tiene el diámetro 'd' se ha colocado en la rueda de diámetro 'D'.
Si la temperatura de la llanta se ha cambiado de tal manera que el diámetro de la llanta aumenta y se ha vuelto igual al diámetro de la rueda y si la temperatura de la llanta se reduce a la original, el diámetro de la llanta intenta volver a su dimensión original y debido a este proceso se ha generado una tensión en el material del neumático. Este estrés es un ejemplo de Thermal tensión del aro.
entonces, la diferencia de temperatura = t grados.
deformación térmica = Dd / d
Estrés del aro = e. mi
Por lo tanto,
Esfuerzo del aro = (Dd) .E / d

Análisis térmico:
Análisis de estrés térmico en ANSYS Workbench | Estrés térmico Ansys | Análisis de estrés térmico de Abaqus:


El objetivo del análisis térmico es estudiar el comportamiento del material después de aplicar carga térmica y estrés térmico. Para estudiar la transferencia de calor dentro de un objeto o entre objetos y el análisis térmico se utiliza para medir la temperatura, el gradiente térmico y las distribuciones del flujo de calor del cuerpo.


Tipos de análisis térmico:

Hay dos tipos de análisis térmico:

Análisis térmico de estado estacionario:

El análisis térmico en estado estacionario tiene como objetivo buscar la temperatura o la distribución del flujo de calor en las estructuras cuando se alcanza un equilibrio.

Análisis térmico transitorio:

Los conjuntos de análisis térmico transitorio doblados determinan el historial de tiempo de cómo el perfil de temperatura y otras cantidades térmicas cambian con el tiempo
Además, la expansión o contracción térmica de los materiales de ingeniería a menudo resulta en estrés térmico en las estructuras, que puede examinarse mediante la realización de análisis de estrés térmico.

Importancia del estrés térmico:

El análisis de estrés térmico es esencial para determinar los esfuerzos térmicos debidos a los cambios de temperatura en las estructuras. Podemos proceder a

Resuelva la ecuación K. T = q
⦁ Para obtener los campos de cambio de temperatura, aplique inicialmente el cambio de temperatura ΔT como deformación inicial
⦁ Las relaciones tensión-deformación debidas al cambio de temperatura se determinaron utilizando primero materiales de caja 1D.
La deformación térmica (o deformación inicial): εo = αΔT

Estudio de caso con ANSYS Workbench:

Material: Aluminio
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
Condiciones de contorno: temperatura del aire de 28 ° C; h = 30 W / (m2 · ° C). Estado estacionario: q ′ = 1000 W / m2 en la base.
Condiciones iniciales: Estado estacionario: Temperatura uniforme de 28 ° C.

  • Inicie el banco de trabajo ANSYS
  • Cree un sistema de análisis térmico de estado estable:
  • Agregar nuevo material: proporcionado con todos los datos proporcionados.
  • Inicie el programa de modelado de diseño.
  • Crear cuerpo
  • Inicie el programa térmico de estado estable
  • Generar malla
  • Aplicar condiciones de contorno.
  • Resuelve y recupera resultados.

Análisis térmico de motor refrigerado por agua:

Se siguen los siguientes pasos después de finalizar la especificación del motor.

  • Diseño de sistema water-core y head-core.
  • Diseño de sistema de revestimiento. (En función de sus parámetros como diámetro, stoke y espesor, etc.)
  • Diseño de bomba de agua e instalación.
  • Diseño del sistema de enfriamiento y sus subsistemas, como radiadores, ventiladores, diseño de enfriadores de aceite.

Aspectos del análisis térmico del bloque motor:

  • Velocidades del agua del puente de la válvula de la culata (diseño de la sección transversal en el núcleo de la cabecera).
  • Análisis del aspecto de enfriamiento de pistones y válvulas.
  • Análisis de cavitación del revestimiento.
  • Análisis de diseño de juntas de culata.

Envejecimiento por estrés térmico:

La meteorización por estrés térmico es la fractura térmica que es una ruptura mecánica de la roca debido a la expansión o contracción térmica causada por el cambio de temperatura.

Efectos de las tensiones térmicas en uniones soldadas:
Tensión térmica en soldaduras y en uniones adheridas:

La temperatura del cuerpo aumenta uniformemente1,
La tensión normal del cuerpo es,
x = y = z = α (T)
Aquí,
α es el coeficiente de expansión térmica.
T es la variación de temperatura.
El estrés se representa como
σ1 = - E = −α (T) E
de manera similar, si una placa plana consistente se restringe en los lados y también se somete a un aumento constante de temperatura.
σ2 = - α (T) E (1 − ν)
Las tensiones σ1, σ2 se denominan tensiones térmicas. Surgen debido a un proceso natural durante un miembro sujetado o restringido.

Ecuación de tensión térmica para cilindro | Estrés térmico en cilindro de pared gruesa:

estrés térmico en el cilindro
Crédito de la imagen:Mikael Haggström. Cuando se utiliza esta imagen en trabajos externos, se puede citar como: Häggström, Mikael (2014). "Galería médica de Mikael Häggström 2014“. WikiJournal de Medicina 1 (2). DOI:10.15347 / wjm / 2014.008ISSN Rinde de 2002 a 4436 porciones Dominio Público. o por Mikael Häggström, usado con permiso., Estrés circunferencialCC0 1.0

Cilindro de pared delgada:

\\sigma =\\frac{P}{A}

\\sigma =E\\alpha \\Delta T\\frac{pd^{2}}{\\left ( d+2t \\right )^{2}-d^{2}}

\\sigma =E\\alfa \\Delta T\\frac{Pr}{2t}

Cilindro de paredes gruesas:

\\sigma =\\frac{P}{A}

\\sigma r=E\\alpha \\Delta T(A-\\frac{B}{r^{2}})

Proceso de alivio del estrés térmico:

El proceso de tratamiento térmico se utiliza para disminuir las tensiones térmicas residuales en los materiales.
Primero, la pieza debe calentarse a 1100-1200 grados F, lo que permite aliviar las tensiones y mantenerla allí durante una hora por pulgada de grosor, y luego dejarla enfriar en aire tranquilo a temperatura.

Expansión térmica:

Cuando un material sólido experimenta un aumento de temperatura o diferencia de temperatura, el volumen de la estructura del material sólido aumenta, este fenómeno se reconoce como expansión térmica y este incremento de volumen conducirá a un aumento de la tensión de la estructura.

Coeficientes de expansión térmica:

  • (Coeficientes medios lineales para el rango de temperatura 0–100 ° C):
  • Aluminio: 23.9(10) −6 Latón, fundido: 18.7(10) −6
  • Acero al carbono: 10.8(10) −6 Hierro fundido: 10.6(10) −6
  • Magnesio: 25.2(10) −6 Acero al níquel: 13.1(10) −6
  • Acero inoxidable: 17.3(10) −6 Tungsteno: 4.3(10) −6

Fórmula de tensiones térmicas en barras compuestas:
Estrés térmico en barras compuestas:


Las barras compuestas y las barras compuestas, cuando experimentan cambios de temperatura, tienden a contraerse o expandirse. Generalmente, la deformación térmica es un proceso reversible, por lo que el material volverá a su forma real cuando la temperatura también disminuyó a su valor real, aunque hay algunos materiales que no se comportan de acuerdo con la expansión y contracción térmica.

Barras en serie:

(\\alpha L1T1+\\alpha L2T2)=\\frac{\\sigma 1L1}{E1}+\\frac{\\sigma 2L2}{E2}

Estrés y deformación térmica:
Definición de tensión y deformación térmica:

El estrés producido por el cambio de temperatura se conoce como estrés térmico.
Estrés térmico = α (t2-t1) .E
La deformación correspondiente a la tensión térmica se conoce como deformación térmica.
Deformación térmica = α (t2-t1)

Ejemplo de estrés térmico:

Estrés térmico en rieles.

Ejemplo de estrés térmico
Crédito de la imagen con vínculo: el cargador original fue vigilante de trenes at Wikipedia en inglés., Hebilla de riel, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Aplicaciones de estrés térmico:

Motor, radiador, escape, intercambiadores de calor, centrales eléctricas, diseño de satélites, etc.

Esfuerzo residual térmico:

Las diferencias dentro de las temperaturas durante el entorno de fabricación y comercialización son la mayor explicación de las tensiones térmicas (residuales).

Estrés inducido térmicamente

σ = E ∆L / L

Cálculo de estrés térmico en tubería:

Las tuberías se expanden y contraen debido a las temperaturas variables.
El coeficiente de expansión térmica muestra la tasa de expansión y contracción térmica.

Factores que afectan el estrés térmico:

  • Gradiente de temperatura.
  • Contracción de expansión térmica.
  • Choques térmicos.

La tensión térmica depende del coeficiente de expansión térmica del material y si el cambio de temperatura es mayor, la tensión también será mayor.

Módulo de elasticidad en expansión térmica:

Si se evita que la barra se expanda completamente dentro de la dirección axial, entonces la tensión de compresión típica inducida es
σ = E ∆L / L
donde E es el módulo de elasticidad.
Entonces, el estrés térmico necesario es,
α = –αE (T - T0)
En general, en un continuo elástico, el proceso natural no es uniforme en todo momento y esto suele ser una función del tiempo y el espacio.
por lo tanto, las coordenadas espaciales (x, y, z), es decir, T = T (t, x, y, z).

Limitaciones del análisis de estrés térmico:


El cuerpo en cuenta también podría estar restringido de la expansión o el movimiento en algunas regiones, y las tracciones externas también podrían aplicarse a otras regiones y el cálculo de la tensión en tales circunstancias puede ser bastante complejo y difícil de calcular. Esto también tiene el siguiente caso limitado.

  • Discos circulares delgados con igual diferencia de temperatura.
  • Cilindro circular largo. (Esto podría ser hueco y sólido)
  • Esfera con variación radial de temperatura. (Esto podría ser hueco y sólido)
  • Viga recta de sección transversal arbitraria.
  • Caja de viga curva.

Problemas y soluciones de estrés térmico:

1) Una varilla de acero de 20 m de longitud con una temperatura de 10 grados Celsius. La temperatura se eleva a 50 grados centígrados. Encuentre el estrés térmico producido.
Dado: T1 = 10, T2 = 50, l = 20, α = 1210 ^ -6, E = 20010 9 ^

Estrés térmico = α (t2-t1) .E

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

= 9610 ^ 6 N / m ^ 2.

Preguntas frecuentes / notas breves:

¿Cuál es el efecto de las tensiones térmicas?

Esto tiene un efecto significativo en los materiales y puede provocar fracturas, y la deformación plástica depende de la temperatura y el tipo de material.

Qué material se puede utilizar como aislante térmico y por qué ?

Celulosa. Porque bloquea el aire mejor que la fibra de vidrio y tiene baja conductividad térmica.

¿Cuáles son los tres tipos más comunes de estrés por calor?

Tipos de estrés por calor comúnmente utilizados:

  • Tangencial
  • radialmente
  • axial.

Cómo calcular las tensiones térmicas en el vidrio ?

El estrés térmico en el vidrio varía a diferentes temperaturas.

Estrés térmico y deformación:

La deformación térmica es la propiedad de una sustancia para expandirse con el calentamiento y contraerse con el enfriamiento, normalmente un tipo de deformación debido al cambio de temperatura y esto se indica mediante el coeficiente de expansión lineal α.
α = ΔL / L × Δt
Aquí,
⦁ α es el coeficiente de expansión lineal de una sustancia (1 / K).
⦁ ΔL es el valor de expansión o contracción de una muestra (mm).
⦁ L es la longitud real.
⦁ Δt es la diferencia de temperatura medido en Kelvin o grado Celsius.
Cuanto mayor sea el coeficiente de expansión térmica, mayor será el valor de deformación térmica.

Envejecimiento por estrés térmico:

La meteorización por estrés térmico es la fractura térmica, una ruptura mecánica de la roca debido a la expansión o contracción térmica causada por el cambio de temperatura.

¿Cuál es la fórmula para la tensión y la deformación por expansión térmica?

Fórmula de estrés térmico:

α (t2-t1). mi

Fórmula de deformación térmica:


α (t2-t1).

¿Cuál es la relación entre el estrés térmico y la deformación térmica?

Estrés térmico y deformación térmica en casos 2D-3D:
Los cambios de temperatura no ceden deformaciones cortantes. Tanto en los casos 2-D como en los 3-D, la deformación total suele estar dada por la siguiente ecuación vectorial:
ε = εe + εo
Y la relación tensión-deformación viene dada por
σ = Eεe = E (ε - εo).

¿Qué parámetros deben definirse para materiales isotrópicos para análisis estructural y térmico en ANSYS?

  • Conductividad térmica isotrópica
  • Material
  • Coeficiente de transferencia de calor

Si la deformación causa tensión, entonces, en la expansión térmica libre, ¿por qué no hay tensión aunque haya deformación térmica?


El estrés es la resistencia interna cuando se aplica a una carga externa. Cuando el material se somete a cualquier carga o fuerza, el material intenta resistir la fuerza que conduce a la generación de tensión.
Si el material está experimentando una expansión térmica libre, el material no experimentará ningún estrés interno que no genere estrés.


¿Cuáles son algunos ejemplos de expansión térmica en la vida cotidiana?

⦁ Termómetros
⦁ Torres eléctricas
⦁ Tiras bimetálicas
⦁ Líneas ferroviarias.

¿Cuál es la aplicación de la difusividad térmica en el mundo real? ?

⦁ Aislamiento.

¿Falla la ley de Hooke en caso de expansión térmica? ?

La ley de Hook se aplica a una expansión térmica solo cuando hay una restricción para el objeto que sufre estrés térmico. Si no se aplica tensión, no habrá expansión y la ley de Hook establece que la tensión es directamente proporcional a la tensión.

¿Por qué el cobre tiene una expansión térmica tan baja? ?

Si el coeficiente de expansión térmica es casi igual tanto para el acero como para el hormigón, entonces ¿por qué una estructura de hormigón se considera un mejor bombero?
Si el coeficiente de expansión térmica es casi igual tanto para el acero como para el hormigón, entonces, ¿por qué una estructura de hormigón se considera un mejor bombero?
Una estructura de hormigón tiene baja conductividad térmica y no se calienta rápidamente. Por lo tanto, si el coeficiente de expansión térmica es casi igual tanto para el acero como para el hormigón, entonces, ¿por qué una estructura de hormigón se considera un mejor bombero?

¿Por qué realizamos fatiga no lineal modal térmica de pandeo de estructuras estáticas en función de la tensión y la deformación en Ansys?

Es un método de elementos finitos. Para predecir la resistencia exacta y precisa de las estructuras, se realiza un análisis no lineal. Toma en cuenta los cambios en los parámetros a medida que se aplica la carga.

¿Qué significa capacidad térmica?


La capacidad térmica del material es la cantidad de calor requerida para cambiar la temperatura del material por unidad de masa de material.

¿Cuál es la diferencia entre los coeficientes de expansión térmica del acero y el cobre?

Coeficientes de expansión térmica 20 ° C (x10−6 K − 1)
cobre = 17
acero = 11-13.

¿Cuál es el uso de la conductividad térmica?

La conductividad térmica es la capacidad de un objeto para conducir calor. Mide la cantidad de calor que se transfiere a través del material.

¿Algún material tiene un coeficiente de expansión térmica cero?

Existen pocos materiales que tengan coeficiente de expansión térmica cero.
Mesoporos.

Ley de Hooke | Ley de Hooke para estrés térmico:

σth = Eϵth
Si el material está experimentando una expansión térmica libre, la tela no experimentará ninguna tensión interna que no genere tensión.

¿Qué es la contracción térmica en el hormigón?

Cuando el hormigón caliente se enfría a temperatura ambiente, el volumen del hormigón se reduce; este proceso se llama contracción térmica o contracción térmica en el hormigón.

¿Cuál es el mejor software de simulación y análisis para ingeniería mecánica, principalmente análisis estructural y análisis dinámico térmico no requerido?

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

Tensión térmica-deformación: Por qué la barra no se dobla cuando se calienta desde la parte inferior con un solo extremo fijo:

Tensiones térmicas en vigas en voladizo:

Caso 1: Barra libre fija:
Si una varilla se calienta a través del aumento de temperatura, la varilla tenderá a expandirse en una cantidad εo = αLΔT, si la varilla está libre en otros extremos, experimenta expansión térmica ε = αΔT,
ε = εo, εe = 0,
σ = E (ε- εo) = E (αΔT- αΔT) = 0
Es decir, no hay estrés térmico en este caso.

Case2: barra fija-fija
Si hay una restricción en el lado derecho, es decir, la barra no se puede expandir a la derecha, entonces tenemos:
ε = 0,
εe = −εo
σ = E (ε-εo) = E (0- αΔT) = = −αΔT,
σ = −EαΔT
Por tanto, existe estrés térmico.

22 1

Las deformaciones por cizallamiento no cambian, solo cambian las deformaciones normales.

Si la temperatura cambia, el tamaño del cuerpo cambia, aunque no cambiará la forma del cuerpo. Entonces, considerando este hecho, la deformación cortante del cuerpo no cambia.

Para más artículos, haga clic aquí.

Deja un comentario