RFEM/RSTAB 中温度应变的模拟

结构分析软件 RFEM 和 RSTAB 提供了强大的热应变模拟功能，能够精确考虑温度变化对材料和结构的影响。无论是均匀还是非均匀的温变变化，程序都能准确模拟热膨胀或收缩对结构性能的影响方式。

本文将探讨热效应的理论背景，重点介绍薄膜效应和弯曲效应，并演示如何在程序中建模和应用这些热效应。通过实际案例，您将了解如何有效捕捉这些与温度相关的变形，为暴露在不同温度下的结构设计和分析提供有价值的见解。

1. 薄膜效应（均匀温度变化）

沿构件高度方向上的均匀温度变化会引起薄膜效应。当整个构件沿其长度方向承受相同的温度变化，且垂直方向温度恒定时，就会发生这种效应。在均匀温度变化下，结构构件会发生热膨胀或收缩，但不会产生弯曲变形。

薄膜效应的特点是沿构件轴线方向产生均匀应变，从而导致纯轴向变形（图1）。温度升高时，材料沿轴线膨胀；温度降低时，材料收缩。重要的是，这种效应不会产生内力矩或弯曲应力，但如果构件的线性膨胀受到约束（如超静定结构），则会在构件内部产生轴向力。

2. 弯曲效应（非均匀温度变化）

与薄膜效应不同，沿构件高度或厚度方向的温度分布不均匀时会导致弯曲变形（图2）。当构件截面的温度发生变化，形成温度梯度时，就会发生这种情况。

当构件受到温度梯度影响时，材料在其高度或厚度方向上的不同位置会有不同程度的膨胀。这种差异膨胀会产生内力矩和弯曲应力，这些力矩和应力仅在膨胀受到约束的超静定结构中出现。构件会因为截面不同位置处温度的变化而发生弯曲，例如截面顶部比底部膨胀更多，反之亦然。因此，弯曲效应可以理解为结构构件因温度梯度而产生的弯曲。

3. 组合效应：薄膜与弯曲

在实际应用中，构件通常会同时受到均匀温度变化（薄膜效应）和温度梯度（弯曲效应）的影响。因此，构件中总的热应变可以描述为这两种效应的组合：

• 薄膜效应由构件轴线方向的均匀温度变化引起，导致轴向变形（拉伸或压缩）。
• 弯曲效应由构件高度或厚度方向的温度梯度引起，导致弯曲变形。

这种组合效应会导致非均匀变形（图3），因为构件内部会同时产生轴向力和弯矩，这种情况发生在超静定结构且膨胀受到约束时。

程序中的热应变模拟

在程序中，您可以通过“温度”和“温度变化”两种荷载类型来模拟薄膜效应和弯曲效应。具体操作步骤如下：打开"新建杆件荷载"对话框，从"荷载类型"下拉菜单中选择相应的温度荷载类型（如图4和图5所示），即可快速完成荷载定义。

1. “温度”荷载类型

程序中的“温度”荷载允许您指定杆件的顶部温度（T_t）和底部温度（T_b）。温度分布可以是：

• 均匀：当T_t=T_b时，表示构件经历均匀温度变化，仅产生薄膜效应（无弯曲）。

• 非均匀：当T_t≠T_b时，会在构件截面上产生温度梯度，从而同时产生薄膜效应和弯曲效应。

2. “温度变化”荷载类型

“温度变化”荷载允许您定义中线温度（T_c）并直接指定构件顶部和底部之间的温差ΔT。中线温度为正值表示构件正在升温，温差为正值表示构件顶部升温高于底部，从而导致弯曲。

实例

为了更好地理解温度荷载的影响，我们将探讨同一悬臂梁在不同温度条件下的几种情况。在每种情况下，我们将讨论如何在程序中使用“温度”和“温度变化”荷载类型来模拟不同的温度变化。两种荷载类型都可以实现相同的温度效应，唯一的区别是输入方式不同。我们将重点介绍这些变化如何影响梁的行为，特别是在弯曲和变形方面。

案例 1：地暖系统

支撑部分楼板的一根悬臂梁受地暖影响均匀升温 10°C。加热系统使整个梁沿其长度均匀升温，从而使悬臂梁均匀升温。

如何在程序中应用：
这种情况可以使用“温度变化”荷载类型来模拟。其中中线温度（T_c）设置为10°C，表示梁均匀升温（图6）。由于是沿梁长度方向均匀升温，所以梁顶面和底面之间的温差（ΔT）为零。

6 使用 RFEM 模拟温度变化的膜效应

或者，可以使用“温度”荷载类型进行相同的模拟，其中顶部温度（T_t）和底部温度（T_b）均设置为10°C（图7）。在这两种情况下，由于整个梁经历相同的热膨胀，结果都是梁均匀膨胀，不会造成任何弯曲（图 8）。

使用温度荷载类型模拟膜结构

温度变化引起的梁的膨胀

案例 2：受热源影响的梁

在工业环境中的悬臂梁，其一侧受热。例如，在生产制造过程中，梁的一侧可能承受较高的温度（例如 30°C），而另一侧则保持在较低的温度（例如 20°C）或被屏蔽以免受热源的影响。

如何在 RFEM 6 中应用：

这种情况可以使用“温度”荷载类型来模拟。其中 T_t ≠ T_b（图 9），其中顶部温度 (T_t) 由于热源而设置为较高（30°C），而底部温度 (T_b) 保持较低（20°C）。梁顶部和底部的温差导致梁的膨胀和弯曲（图 10）。

RFEM 6 中膜效应与弯曲效应组合模拟

RFEM 6 中梁对不均匀温度的响应

案例 3：日照辐射非均匀受热梁

悬臂梁处于室外环境中，其一面受阳光直射，另一面处于阴影中。日照面温度升至5°C，背阴面温度保持-5°C。此时梁的中线温度为0°C，但沿梁截面存在温度梯度，形成两侧表面的温差。本案例重点分析由梁上下表面温差（ΔT）引发的热梯度所导致的弯曲变形，这种变形源于材料的不均匀热膨胀效应。

如何在 RFEM 6 中应用：
这种情况可以在 RFEM 6 中使用“温度变化”荷载类型（图 11）进行模拟，其中指定梁顶部和底部之间的温差（ΔT=10°C）。中线温度 (T_c) 设置为 0°C，但存在非零温差 (ΔT)，这表示会导致梁弯曲。需注意，由于使用的是“温度变化”荷载类型，因此无需为顶部 (T_t) 和底部 (T_b) 定义具体的温度，因为重点在于 ΔT 产生的热梯度引起的弯曲。

在 RFEM 6 中通过温差模拟梁的弯曲

由于温差引起的梁弯曲

结论

总之，RFEM 6 为结构热效应分析提供了高效的解决方案。您可以使用“温度”和“温度变化”荷载类型模拟薄膜效应和弯曲效应。这些荷载类型能够精确模拟构件长度和高度方向上的温度变化，从而确保对热应变进行全面的分析。

通过了解如何有效地应用这些荷载类型，工程师可以预测结构部件在热载荷下的行为，从而实现更准确的分析和优化设计。无论是处理均匀加热、局部受热还是温度分布不均，RFEM 6 都能提供必要的工具来管理结构中的温度效应。

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受温差荷载的钢悬臂梁