电磁热弹耦合问题的热冲击响应

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经典传热学理论中描述温度场的控制方程,是一个扩散型方程,由于该方程固有的属性,导致了热在介质中是以无限大的速度进行传播的,但这与实验观测不相符合。在瞬态传热下,传热学中描述热流密度与温度梯度之间关系的Fourier定律不再适用。为了弥补经典传热学理论的不足,人们建立起了广义的热弹性理论来描述热的波动效应。Lord和Shulman(L-S)、Green和Lindsay(G-L)分别引入一个和两个热松弛时间,建立了广义的热弹性理论,这两种理论都能表征热扰动以有限的速度在介质中传播,显示固体中的第二声效应。本文基于广义传热学理论,分别研究了有限长杆的热-弹、磁-热-弹耦合的动态响应问题。文中首先分析了两端固定杆受移动热源作用的广义的热弹耦合问题;其次研究了磁场中两端固定杆受移动热源作用的磁热弹耦合问题;最后研究了考虑材料特性随温度变化的两端固定杆的热弹、磁热弹耦合问题。在讨论考虑材料特性参数为常量的情况下,分别就两端固定杆在无外加磁场和施加外加磁场两种情况下的动态响应进行了研究;在对材料特性参数随温度变化的情况的讨论中,分别就有限长杆在有无外加磁场两种情况下的动态响应进行了研究。在研究两端固定杆在其端部受到移动热源作用的边值问题时,建立了L-S型的广义热弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯积分变换和数值反变换技术对问题进行了求解,得到了应力、位移及温度分布的解析解,发现了各物理量随热源速度的增加而减小。在分析两端固定杆置于外加磁场中,其端部受到移动热源作用时的磁热弹耦合问题时,建立了L-S型的广义磁热弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯积分变换和数值反变换技术对问题进行了求解,得到了应力、位移及温度的分布规律,从分布图上可以看出热的波动性及磁热弹的耦合效应,并且发现磁场对温度几乎没有影响,对位移和应力有显著的影响。这表明外加磁场削弱了杆的热膨胀变形。在研究考虑材料特性随温度变化的有限长杆受移动热源作用的动态响应问题时,把弹性模量看作是初始参考温度的线性函数,建立了L-S型的广义热弹耦合的控制方程,同样借助拉普拉斯正、反变换技术,得到了应力、位移及温度的分布规律,从分布图上可以看出,弹性模量对温度几乎没有影响,对位移和应力却有显著的影响,同时还可以看出热松弛时间对各物理量的峰值有一定的影响,随着热松弛时间的增加峰值增大,但是变化趋势没有改变。在探讨磁场中材料特性参数随温度变化的两端固定杆受移动热源作用的磁热弹耦合问题时,建立了L-S型广义磁热弹性耦合的控制方程,得到了移动热源作用下杆中的温度、应力、位移的分布规律,从图中可以看出磁场以及弹性模量对各物理量的影响,它们的增大会抑制温度、应力、位移的增加。
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