一维双参数非经典热传导及热应力和热断裂

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经典热传导理论是科学工作者通过大量科学实验得出的经验总结,并且认为热波的传导速率是无穷大。但在现实生活中,最高速的热传导现象光的传播速率也没有达到无穷大。很显然经典热传导模型过于理想化,导致经典热传导模型在一些实际应用会带来很大的误差。因此非经典热传导的研究工作就更加重要了。造成经典热传导模型过于理想化的原因是没有考虑到热传导过程中存在时间延迟。目前单参数模型是非经典热传导的主要研究模型。此种模型虽然考虑了在热传导的过程中存在时间延迟,但是认为温度梯度的时间延迟与热流的延迟时间相同,因此单参数非经典热传导模型相较于经典热传导模型而言更符合实际情况,但是仍然存在理想化情况。于是本文将研究的是两种热弛豫时间不相同的双参数非经典热传导模型。本文是以经典热传导理论为基础,应用拉普拉斯变换的方法与数值反演的方法求解了一维无限长平板材料在热冲击下的非经典热冲击问题。求解出了不同条件下的温度场、热应力场与热应力强度因子。利用MATLAB软件绘出不同热传导模型的温度、热应力和热应力强度因子的图像,通过对图像的对比分析得出它们的分布特点。并且对数值结果进行详细的分析,得出裂纹的大小以及材料的热弛豫时间对材料的抗热冲击性能的影响,得出的数据和图像与经典热传导模型得出的结果进行对比分析。研究发现:在瞬态热冲击的条件下的热应力强度因子随着热冲击时间的增大呈现出先增大后减小的趋势,但是当时间足够大时,双参数非经典热传导模型的热应力强度因子与经典热传导模型的热应力强度因子趋于一致。最后计算出平板的热冲击阻力。根据双参数非经典热传导模型计算的热冲击阻力与板的厚度有关,板的厚度越大,越考验平板的抗热冲击性能。并且在同等条件下,经典热传导模型与单参数非经典热传导模型会过高的估计板的热冲击阻力。因此,在板的厚度非常小条件下,采用双参数非经典热传导模型预测固体材料的热冲击阻力会更准确。本文的研究结果将对热冲击载荷作用下极小厚度固体材料的抗热冲击性能分析具有重要意义。
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