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摘要：本文针对热胀冷缩材料的结构设计方法进行探讨。总结了在设计过程中应该关注的要点，明确了设计的具体的方法和措施，可以为今后的设计提供参考。
关键词：热胀冷缩，材料，结构设计
前言
热胀冷缩是工程材料的普遍性能，由于变化而引起的构件长度或体积变化，可能导致机械发生故障。精度很高的支承或导轨会因温差引起的不均匀热变形而卡死，或造成过大的间隙，从而影响精度，丧失其功能。另外，过大的温差应力会导致构件、设备的破裂损坏，如管道等。因此，在易发生较大温差的场合（构件和构件之间的相对温差，同一构件不同工况下的温差）要注意避免绝对热变形或相对热变形可能引起的种种不良后果；精度下降、功能障碍、构件损坏等。符合热胀冷缩性质的结构设计就是要在结构设计尽量减少或消除热胀冷缩导致的不良后果，另一方面是利用这一材料材质进行结构设计，符合热胀冷缩性质的结构设计主要从以下几个方面考虑：
1）材料的热胀冷缩；
2）各材料的热膨胀系数不同，有时相差很大。如塑料的热膨胀系数是钢的 12 倍；
3）在热变形受到阻碍时，构件内部将产生热应力；
4）累积变形量和构件的尺寸成正比。如何用结构设计的方法来减少或消除热变形的不良后果。
1 减法结构
在温度变化的情况下，单一构件的绝对热变形必然存在（除热膨胀系数为零的复合材料制成的结构外），有时这种变形是不利的，应予避免。若将多个构件按减法原理组合起来，通过选择适当的材料，即适当的材料热膨胀系数和几何尺寸，则整个减法结构可以消除绝对变形。图 1 所示的结构就是减法结构。只要它满足 a1l1+a3l3-a2l2=0 这个条件，其中 α 是热膨胀系数，不论温度如何变化结构总长 α始终为常数。满足上述条件并不难，只要适当组合即可。
图1
2 加法结构
许多情况下，热变形引起的不良后果是由于不同构件之间的热变形量不等，即相对热变形。相对热变形改变不了不同构件之间的配合状态：间隙变大或变小，接触力变大或变小。图 2a 所示结构是一简化了的螺栓和套筒结构。L1=L2 材料因功能要求不能相同。即材料的热膨胀系数不同。这种结构，在温度变化时，紧固螺母和套筒之间的配合状态将发生变化，从而偏离初始确定的最理想状态：过紧或过松。而图 2b 所示结构在温度变化时，只要 a3l3=a1l1+a2l2 条件成立，就可保持套筒和螺母的配合状态一成不变。即螺栓和套筒（包括附加段）的变形等。此结构的核心就是附加一段另一种材料制作的套筒。
图2
3 方向调节结构
温度升高时体积膨胀，但向什么方向膨胀是可以引导调节的，而且这种引导调节是很有实际意义的。因为，在有些特定方向上是不同部件的配合面，在这个方向上的相对变形将引起两构件之间的配合状态的改变，从而进一步影响甚至损害部件的功能或性能。而在另外的方向上，可能无配合面，而且有可供自由变形的余地。在这种情况下，可通过结构设计，将膨胀变形方向调节到希望的方向上。如图 3 所示为内燃机活塞结构，即通过安置另一种材料制成的元件，将活塞水平方向的热变形转移到垂直方向。
图3
4 消除温差结构
两构件相对热变形不仅会产生在不同的材料制作的构件之中，也会产生在相同材料制作的构件之中。两构件上温度不一样就属于后一种情况。机械构件上的温度差很多情况下和其周围的热传递状况以及构件自身的传热面积密切相关。如果不希望出现相对热变形，就应使有关构件的热传递边界条件尽量相近或相同如图 4 所示。
图4
5自由膨胀结构
热膨胀（冷收缩一样，下同）若不能自由伸展，即遇到限制时，它将产生很大的力，这种力不足以导致构件功能丧失或自身损坏。如果自由变形并不引起进一步的不利后果，则应让结构自由热胀冷缩。图 5a 所示结构的轴支承结构可能导致严重的故障，特别是当轴较长时。因为轴和壳体之间的温度差是存在的，有时甚至是很大的，此时壳体和轴的热变形肯定不同。由于轴在轴线方向上不能相对壳体自由变形，从而产生很大的轴向力。这个轴向力影响轴承旋转性能，甚至将轴承挤坏，至少是增加了轴承的载荷。而图 5b 所示结构则无这种问题，因为轴相对于壳体在轴线方向上可以自由变形。
图5
结束语
由以上几点可知，机械构件的主要结构特征是由功能、制造工艺、材料和承载能力这四大因素确定的，其中材料和加工工艺是紧密相关的。在实际设计中要根据构件的功能要求正确选择材料，针对材料性能扬长避短，充分利用材料的优点，使设计更加合理。
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论文作者:邓瑜
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/25
标签：构件论文; 热胀冷缩论文; 结构论文; 材料论文; 热膨胀论文; 结构设计论文; 所示论文; 《基层建设》2018年第7期论文;