溫度應力
關注創建者：shuishengy 創建時間：2018-10-31
溫度應力的視頻教程
ABAQUS模擬混凝土水化熱溫度場、熱應力裂縫擴展（XFEM）
緊跟ABAQUS模擬混凝土水化熱溫度場、熱應力裂縫擴展（XFEM）課程，第二季ABAQUS子程序模擬早齡期混凝土溫度應力課程，點擊下面超鏈接（藍色文字）可看到該課程： ABAQUS子程序綜合模擬早齡期混凝土溫度應力教程 本課程涉及的ABAQUS子程序的內容屬于一般難度，而關于ABAQUS子程序的中上難度及其他課程可參考本人其他課程，點擊下面超鏈接（藍色文字）可看到該課程： ABAQUS UEL
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ABAQUS子程序綜合模擬早齡期混凝土溫度應力教程
本課程涉及的ABAQUS子程序模擬早齡期混凝土溫度應力內容為中上難度，緊跟本人之前的ABAQUS模擬混凝土水化熱溫度場、熱應力裂縫擴展（XFEM）課程，點擊下面超鏈接（藍色文字）可看到該課程： ABAQUS模擬混凝土水化熱溫度場、熱應力裂縫擴展（XFEM） 關于ABAQUS子程序的本人其他課程，可點擊下面超鏈接（藍色文字）看到： ABAQUS UEL自定義單元子程序手把手實例研究（Fortran
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Workbench熱分析及溫度應力（熱應力）仿真分析
本教程從幾何建模、網格劃分（mesh）到物理參數設置、求解到后處理進行詳細講解，耦合了穩態熱分析，瞬態熱分析以及瞬態結構分析的多物理場仿真模型，使學習者掌握多物理環境的熱應力分析的整個流程； 本教程結合相關CAE工程師在工程實踐中案例講解，結合了熱應力的產生的原因以及介紹了溫度應力的產生條件；貼合實際應用，可作為初學者掌握熱應力仿真分析的基礎和入門教程； 本教程基于ansys workbench19.0
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溫度應力的實例教程
我們之前的討論只考慮了由外力引起的應力和變形，實際結構中，的應力和變形還會收到溫度變化的影響。溫度引起的應力變化我們習慣上稱為溫度應力。
從物理學角度分析，溫度變化將會導致結構的變形，結構的變形同樣也會產生熱量，從而引起溫度變化，兩者相互交替，若全面考慮溫度影響，勢必將十分復雜?！靶疫\”的是，工程中大多數問題，變形對溫度的影響很小，可以忽略不計。如此一來，就可以把溫度場看做成一個獨立的問題來處理，將溫度應力問題看成由于溫度變化導致的初應變問題。
本次推文將從理論公式入手，帶著大家理解考慮溫度應力后的有限元方程將會有哪些變化？最后給出相應的 Matlab 代碼，加深理解，更多詳情可以前往公眾號：易木木響叮當。
聲明：本文的理論基礎及代碼樣例源自《結構分析的有限元方法與MATLAB程序設計》，對于學習有限元編程有著很大的幫助，課后均有源碼對照練習，可在后臺回復：結構有限元，即可自動獲取書中全部源代碼。
理論基礎
加入初應變影響后的本構方程：
初應變
可表示為：
其中，
是材料的熱膨脹系數向量，
是溫度的變化量。
展開 大體積混凝土溫度控制的關鍵在于降低混凝土水化熱以及減少混凝土內、外溫差，避免產生過大的溫度應力，使得混凝土在前期強度較低的情況下不至于受到過大的拉應力而產生裂縫?？刂苹炷羶取⑼鉁夭畹闹饕胧┯校航档突炷寥雮}溫度、降低混凝土水化熱、混凝土外部保溫以及混凝土內部降溫。
（圖為三峽大壩）
現代建筑中時常涉及到大體積混凝土施工，如高層樓房基礎、大型設備基礎、水利大壩、水庫、船閘、路橋隧道等。它的主要特點就是體積大，一般實體最小尺寸大于或等于1m它的表面系數比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內部溫升比較快?；炷羶韧鉁夭畋容^大時，會使混凝土產生溫度裂縫，影響結構安全和正常使用。必須從根本上分析它，來保證施工的質量。
1、什么是大體積混凝土
所謂大體積混凝土，一般是指實體截面最小尺寸大于或等于1m的混凝土。這種混凝土結構表面系數比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內部溫升比較快，當混凝土內外溫差比較大時，混凝土容易產生溫度裂縫，影響結構安全和正常使用。日本建筑協會標準（JASS5）規定：“結構斷面厚度在80cm以上，同時水化熱引起混凝土內部的最高溫度與外界氣溫之差超過25攝氏度的混凝土，稱為大體積混凝土?！泵绹炷羺f會（ACI）規定：“任意體量的混凝土，其尺寸大到足以必須采取措施減小由體積變形引起的裂縫時即可稱作大體積混凝土?！睒I界一般認為，當混凝土內外溫差預計將超過25攝氏度時，必須采取一定的措施來防止溫度裂縫的產生。這就是大體積混凝土溫度控制的意義所在。
眾所周知，混凝土雖然具有較強的抗壓性能但其抗拉性能非常差，必須要配置鋼筋才能具有較強的抗拉、抗折、抗剪性能?；炷亮芽p作為一種施工質量通病嚴重的影響著鋼筋混凝土結構的壽命，因為鋼筋只有完全埋藏在混凝土保護層中才能避免被水和氧氣等其他化學介質侵蝕。
展開 1.2 結構分析
得到溫度場計算結果后，可在同一個分析項目下建立結構分析。在本案例中，設定封裝體的PCB下邊面為不可移動面，并對整個封裝體添加溫度載荷，溫度的輸入為熱分析的結果，如圖2所示。完成上述操作后，便可提交Simsolid進行計算，從而得到封裝體的熱應力結果。
圖2 溫度載荷的設定
Chapter 2 結果分析與準確性驗證
2.1 溫度場結果
圖3為熱分析結束后封裝體上的溫度分布，可以看出該封裝體在運行時芯片附近區域的溫度較高，最高溫度為119.2℃，其位置為芯片與封裝基體的熱點焊連接點處。在PCB基板邊緣處的溫度上升在10℃左右。在封裝體的上部，由于散熱罩的強烈散熱，溫度約為40℃。
圖3 MCM-BGA封裝體的溫度分布
2.2 熱應力結果
圖4為MCM-BGA封裝體的熱應力分析結果。熱應力是由于封裝體各部分的溫度分布不一致以及材料的線膨脹系數差異產生的。從整體上來看，封裝體的熱應力數值不高，約為40MPa，但局部位置存在著高應力區。圖5顯示了封裝體上的最大應力點和最小應力點。可以看出，封裝體的最高應力出現在封裝基體與芯片連接的熱點焊位置，在后續運行的過程中易成為失效點。散熱罩與封裝基板連接處的應力峰值雖然沒有熱點焊連接點處的應力峰值高，但相較于其他部位存在著應力突變，在后續運行過程中容易產生鈍化裂紋或開裂現象[2]。
展開 如果僅是查看溫度荷載下梁柱配筋，可以定義樓板為彈性膜（程序默認彈性膜），如果要計算溫度荷載下樓板的應力和配筋，此時需要定義樓板為彈性板6且勾選彈性樓板按有限元計算。
行業：汽車
挑戰：捕捉溫度如何影響機械應力
Altair 解決方案：捕捉溫度如何影響機械應力
優點：更快、更準確 ；后處理客戶化 ； 在一個環境中聯合多種仿真
背景介紹
BorgWarner是一家資產達56.5億美元的動力總成系統解決方案的全球科技領 導者。它在發動機正時系統、增壓系統、點火系統、空氣和噪音管理系統、冷卻系 統、傳輸系統和四輪驅動系統上的專長幫助全世界的汽車生產商制造具有更高的燃 油經濟性和排放性能的汽車。BorgWarner的一個關鍵產品是它的渦輪增壓器，由發 動機的廢氣驅動的渦輪是用尾氣去驅動一臺壓縮機，從而提高進入發動機的空氣密 度，結果是在沒有大幅增加其重量的前提下顯著提高發動機的功率。
挑戰
事實上渦輪增壓器會受到廢熱氣體的不利影響，熱氣會對渦輪增壓器外殼的材 料強度產生影響，導致其性能下降、潛在蠕動或渦輪機磨損。當極端波動發生時，渦輪增壓器可能產生過早的熱疲勞導致開裂。
因為渦輪增壓器承受相當大的溫度變化，而設備的耐久性不僅取決于材料組成和它承受的機械應力，而且取決于外界溫度。由于受到機械應力和溫度效應相互作用，在確定整個渦輪增壓器的設計時這兩者都必須考慮。
BorgWarner的工程師們已經對渦輪機外殼進行了結構分析以確定其疲勞壽命。一旦熱廢氣在渦輪增壓器中開始流動就要進行預測溫度分布的計算。該公司沒有簡單的方法從應力和溫度兩方面整合數據來獲得一個系統性能的總體預測，因此在特 定的位置處熱應力可能很小。但如果廢氣的溫度很高，應力和溫度的組合會導致過 早的部件失效。在特定位置處的應力必須與在任何給定的溫度下的材料屈服強度進 行比較。
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、應力場，實現"所見即所得"的交互體驗
計算特征：單線程輕量計算，對硬件壓力極低
二、計算特點深度剖析
2.1 數據生成階段——多物理場求解的"批量轟炸"
這是代理模型workflow中最耗時、最燒錢、最吃硬件的環節。
基于UMAT的蠕變變形仿真16天前
為了解決這個問題，有學者提出改進的擬合模型：
模型中的各參數和溫度、應力進行關聯：
這個模型，不包含初始蠕變，更適合用來描述穩態和加速段的蠕變：
UMAT子程序
根據前面的介紹我們知道，蠕變兼具了疲勞和屈服的一些特點。同樣地，在編寫子程序的時候，也是在兩者基礎上更容易實現。
首先是應變的處理。
不同溫度下的應力云圖
（a）23.85℃ 時的等效應力云圖
（b）51.85℃ 時的等效應力云圖
總結
本仿真演示了如何模擬由形狀記憶合金制成的脊柱間隔器。通過力學加載和溫度變化，模擬了變形過程和形狀恢復過程。
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預測其在長期貼合狀態下的應力保持能力；
動態力學分析（DMA）
獲取儲能模量隨溫度與頻率的變化曲線，評估OCA在溫度變化與振動條件下的模量穩定性；
蠕變性能測試
模擬OCA在持續載荷下的形變累積行為，判斷其是否適用于大尺寸或曲面貼合場景；
壓縮回彈測試
評估OCA在不同壓力下的厚度恢復率，間接反映其對局部應力的吸收能力；
貼合過程仿真分析
通過有限元方法建立顯示模組的數字模型，模擬OCA在貼合壓力、溫度變化下的應力分布與變形情況
壓感交互（新一代趨勢）
難點：壓敏薄膜貼附在鏡腿內部，易受結構應力、溫度漂移影響；壓力梯度分辨難，輕按誤觸、重按無響應；動態佩戴壓力干擾大
測試核心：壓力 - 信號線性度、分級識別精度、溫度補償穩定性、抗形變干擾
三、測試工具與設備選型：從基礎到專業，四大類方案全解析
根據測試階段（研發 / 量產 / 品控）、精度需求、預算，可分為基礎工具、專業儀器、自動化系統、定制化方案四個層級
除了阿倫尼茲模型外，常用的還有逆冪律模型（適用于電壓、電流應力）、艾林模型（適用于溫度和濕度綜合應力）等。
04
可靠性測試的標準與條件
電信級與數據中心光模塊的測試條件對比
電信級光模塊和數據中心光模塊因應用環境不同，其可靠性測試條件存在顯著差異。
地平鐵平面度檢測“避坑”指南：三步告別誤差，輕松“拿捏”精度
在機械加工、設備調試、工裝定位等工業場景中，地平鐵的平面度直接決定工件加工、檢測的精度，而平面度檢測是保障地平鐵合格使用的關鍵環節。很多企3個月前
先將地平鐵放置在平整、恒溫（20±2℃）、干燥的環境中，靜置2小時去掉溫度應力；用干凈抹布+毛刷，清理臺面鐵屑、油污、灰塵，確保臺面無雜物；選用適配的量具（0級地平鐵用0.02mm/m框式水平儀，大型地平鐵搭配平尺輔助），提前校準量具精度。
2.二步：布點，規范檢測。
熱 - 結構耦合
o 單向耦合：熱→結構（溫度→應力），適合熱變形主導、結構變形對溫度影響小的場景（如管道熱膨脹）。
o 雙向耦合：熱?結構（變形改變接觸熱阻 / 對流面積），適合大變形、接觸界面熱阻敏感的問題（如剎車盤熱 - 應力耦合）。
三、模塊選擇建議
1. 優先選穩態熱分析做快速方案篩選，再用瞬態熱分析驗證動態響應，最后用Fluent優化流體對流細節。
2.
高效的多物理場耦合分析
熱-力耦合：精準分析溫度場與應力場的相互影響
流-固耦合：模擬流體與結構的相互作用
電-熱-力耦合：適用于電子設備、電池等領域的多場分析
壓電-結構耦合：用于智能材料與傳感器的仿真
3.
Marc軟件采用先進的熱-力學耦合分析方法，通過在有限元網格中實時更新溫度場和應力場，能夠準確模擬焊接過程中的熱-力學行為。重慶大學的研究團隊通過這一方法，成功預測了焊接接頭的殘余應力分布，并與實驗結果高度一致。
4、精確的網格劃分和邊界條件設置
為了確保計算結果的準確性，Marc軟件提供了靈活的網格劃分功能，用戶可以根據焊接接頭的幾何形狀和復雜程度，自定義網格密度和分布。
