Naprężenia cieplne

Zmiana temperatury ciała powoduje jego rozszerzanie lub kurczenie się. Jeżeli jednak możliwość swobodnej zmiany wymiarów jest ograniczona, w materiale powstają naprężenia cieplne, czyli naprężenia wewnętrzne wywołane oddziaływaniem temperaturowym.

Przykładowo, metalowy pręt podgrzewany bez żadnych ograniczeń może swobodnie się wydłużać. Jeśli jednak jego końce zostaną unieruchomione, rozszerzalność cieplna zostanie zablokowana, a w materiale pojawią się naprężenia wynikające z reakcji podpór przeciwdziałających odkształceniu.

Mechanizm powstawania naprężeń cieplnych

Naprężenia cieplne powstają w dwóch podstawowych sytuacjach:

• gdy rozszerzalność lub kurczenie materiału jest mechanicznie ograniczone,
• gdy w obiekcie występuje nierównomierny rozkład temperatury (gradient temperatury).

W drugim przypadku różne części elementu rozszerzają się w różnym stopniu, co prowadzi do powstawania naprężeń nawet wtedy, gdy element nie jest zamocowany.

Wielkość naprężeń cieplnych zależy przede wszystkim od:

• współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału,
• zmiany temperatury,
• warunków podparcia i ograniczeń odkształceń,
• sztywności materiału.

Przykłady występowania naprężeń cieplnych

Naprężenia cieplne występują w wielu procesach technologicznych i eksploatacyjnych, m.in.:

• podczas spawania, gdzie lokalne nagrzewanie powoduje powstawanie naprężeń resztkowych,
• w elementach konstrukcji poddanych cyklicznym zmianom temperatury,
• w komponentach maszyn pracujących w wysokich temperaturach,
• w konstrukcjach narażonych na nierównomierne nagrzewanie.

Naprężenia cieplne w analizach MES

W analizach prowadzonych metodą elementów skończonych (MES) naprężenia cieplne wyznacza się poprzez sprzężenie analizy cieplnej i mechanicznej. Najpierw obliczany jest rozkład temperatury w modelu, a następnie na jego podstawie określane są odkształcenia cieplne i wynikające z nich naprężenia.

Analiza taka pozwala:

• ocenić ryzyko powstawania pęknięć cieplnych,
• przewidzieć naprężenia resztkowe po procesach technologicznych,
• zoptymalizować konstrukcję pod kątem pracy w zmiennych warunkach temperaturowych.