熱結構分析

結構力學中研究温度的變化對結構的強度、剛度和承載能力的影響的一個領域。20世紀中葉，隨着飛行器速度的提高，氣動加熱問題日趨嚴重；在核反應堆中，結構也處於載荷和高温的聯合作用之下。受熱結構由於還受到約束或由於温度場的不均勻而產生熱應力（見熱彈性力學），並可能由此導致結構破壞或產生大變形。分析這些問題時，必須考慮温度因素。熱結構分析的研究內容主要包括以下四個方面。

薄壁結構在熱應力單獨作用下或熱應力和載荷應力的共同作用下發生的屈曲。熱應力和載荷應力都是壓應力時，總壓應力必然大於載荷壓應力；另一方面，升温能降低材料的彈性模量（見材料的力學性能），從而降低材料的抗皺損能力。這兩方面因素都會促使皺損發生。對於稜柱形薄壁結構，升温往往引起結構的彎曲皺損和扭轉皺損。熱皺損同常温皺損一樣會使原結構變形並降低承載能力。

結構中的熱應力短時間內大幅度變動的現象。衞星重返大氣層時與空氣劇烈摩擦使衞星表面温度驟升，大尺寸金屬板淬火時突然冷卻，這些都能引起熱衝擊。熱衝擊能使結構產生應力波而導致破壞；突然冷卻會使結構表面劇烈收縮併產生強大的拉應力，使脆性材料結構產生裂紋。即使是塑性材料，也會因突然收縮而脆化，併發生斷裂。板殼結構的一側突然受熱，就會產生熱壓應力，另一側則產生拉應力。如果板殼結構的熱導率很小，則受熱表面高温層很薄，熱壓應力的合力較小，較厚的低温層只需以較小的拉應力與之平衡；如果材料熱導率較大，高温層就較厚，較薄的低温層中會產生較大的拉應力，容易造成受拉麪破壞；如果熱導率很大，則沿板殼法向的温度梯度很小，出現幾乎是均勻膨脹的狀態，結構就不會破壞。

結構由於具有慣性，在熱衝擊作用下會發生一定頻率的振動。結構中的温度對結構的剛度、阻尼有很大的影響，因而也會影響振幅和頻率。在分析熱振動問題時，通常略去慣性力和應力對温度的影響。在研究非線性振動時，必須考慮熱應變的影響。

由温度交替變化、温度和載荷都交替變化或高温下載荷交替變化引起的材料或結構的疲勞。一般情況下，温度交替變化會引起結構內部的熱應力交替變化，從而導致疲勞。如果結構已承受恆定或交替變化的載荷，則温度引起的熱應力和載荷應力疊加會加速結構的疲勞。如果温度或載荷交替變化的幅度較大，則加温和在一個方向加載引起的合應力會引起塑性變形，而降温和在相反方向加載的合應力會引起反向塑性變形，這種反覆的塑性變形會使結構迅速疲勞。對一個受交替變化載荷作用的結構，在多數情況下，適當增高温度可延緩疲勞裂紋的擴展，但對過度老化、鬆弛、再結晶或高温下延性降低的材料組成的結構，增高温度常促使疲勞裂紋的擴展。 ^[1]