熱強度分析是研究結構在熱環境下承受載荷和耐受熱環境的能力。
基本介紹
- 中文名：熱強度分析
- 定義：研究結構在熱環境下承受載荷環境
- 核心：熱強度
- 方式：分析
簡介,形成,影響,內容和方法,
簡介
研究結構在熱環境下承受載荷和耐受熱環境的能力。研究還包括結構在熱環境和載荷作用下的應力、變形、穩定性、振動等各方面的性態。熱強度研究是飛行器結構強度學科中形成較遲的一個方面。它包括熱強度分析和熱強度試驗。
形成
飛行器高速飛行時，流經飛行器表面的氣流由於摩擦等原因受到阻滯,動能轉變為熱能,溫度急劇升高，產生氣動加熱現象。氣動加熱與飛行高度有關，飛行高度越低，空氣密度越大，氣動加熱越嚴重。例如在30公里高空,當飛行馬赫數為3時,溫度可達300°C左右，飛行速度增加到馬赫數5時，溫度高達900°C。太空梭重返大氣層時表面溫度可升到1200°C以上。高溫給飛行器設計，特別是結構強度帶來嚴重的問題，技術上稱為“熱障”。第二次世界大戰末期,德國V-2火箭已遇到這一問題。戰後出現了高速飛機，熱強度的研究更受到人們重視。除氣動加熱外，還有其他熱源，如發動機的釋熱、太陽輻射、核爆炸時的高溫輻射等，都構成熱環境。
影響
在熱環境中，結構材料的機械性能明顯下降。由於材料具有熱脹冷縮的特性，受熱結構各部分的熱膨脹受到約束而產生熱應力，溫度分布不均勻時尤為嚴重，使結構承載能力降低。蠕變是熱環境下的另一個問題，它是一種隨時間發展的非彈性變形，溫度越高，載荷越大，發展越快。蠕變也使結構的極限強度降低，容易發生屈曲。在熱環境中長期飛行時，由於永久變形的累積,飛行器的氣動外形受到影響。此外,結構的振動頻率與模態會發生變化，顫振的臨界速度會降低，結構剛度的減小還會引起變形發散等其他氣動彈性問題（見氣動彈性力學）。核爆炸時，在極短的時間內，爆炸點附近的飛行器結構受到高熱衝擊，產生類似衝擊力引起的動態效應，同時引起結構表面與內部之間極大的溫差，使表面或內部形成裂紋,甚至導致立即破壞,這對脆性材料尤為嚴重。在高溫下，材料的疲勞性能下降。交變載荷和交變溫度使結構產生熱疲勞，結構的斷裂特性也會受到嚴重影響。
內容和方法
首先需要分析熱環境。氣動加熱計算是根據飛行狀態計算飛行器表面氣流的溫度，進而計算結構的熱傳導，確定結構的溫度場。溫度很高時，熱輻射的影響明顯，也應加以考慮。飛行狀態通常是非穩態的，當飛行高度和速度迅速變化時，結構溫度場具有瞬態的性質。對於其他熱源也需要根據不同的傳熱方式進行計算。確定熱環境後，可進行熱應力計算、熱剛度計算、熱結構動力特性分析、熱結構穩定性分析、大變形計算、蠕變失穩的臨界時間的計算、熱顫振、熱疲勞分析等，對結構耐受熱環境的能力作出評定。這些分析工作不是孤立的，而是與材料的選擇、結構形式的選擇、熱防護設計等結合而反覆進行的。例如，根據不同的溫度範圍，選用鈦合金、不鏽鋼和金屬基複合材料結構、蜂窩結構、夾層結構等耐熱性能較好的材料和結構。熱防護通常分為吸收式和輻射式兩類。燒蝕式熱防護屬於前一類，採用燒蝕材料或塗層，例如樹脂、碳等在高溫下熔化、蒸發、升華或產生化學反應，吸收大量的熱，然後被高速氣流帶走，從而保護內層結構。一般燒蝕材料或塗層的導熱性很差，故又能起隔熱作用。輻射式熱防護是在飛行器表面覆蓋輻射能力很強又能耐熱的絕熱層，結構受熱時熱流被絕熱層阻擋，飛行器表面溫度很快升高，通過輻射使熱量散失。陶瓷、石墨等都可以作為輻射式熱防護材料。套用電子計算機的結構分析系統已成為熱強度分析的有力手段。通過熱強度分析和熱強度試驗，綜合研究各種因素，還可對熱環境下工作的飛行器結構進行最佳化設計。
