열효과, 열응력에 대한 개념

오랜만에 재료역학에 대한 개념을 고찰하겠습니다.

 

설계된 기계가 열을 받으면, 구속조건에 따라

온도에 의한 응력이 발생합니다.

 

설계에서 온도효과를 고려하지 않는다면, 

이로인하여, 구조물이 이상하게 변형되어 망가지게 됩니다.

 

그래서

 

이번에는 "열효과에 의한 열응력"에 대해서 포스팅하겠습니다.

 

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1. 온도효과와 열응력 공식

2. 열변형률, 열응력 부호

3. 열응력 기본 식 세우기 (문제적용)

4. 충격하중 이해하기 (1) - 에너지 변환 관점 (링크)

 

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1. 온도효과와 열응력 공식

 

재료에서의 온도변화는

재료의 팽창 또는 수축을 일으켜

재료의 변형과 재료 내부의 응력을 발생시킵니다.

이 때 발생되는 변형과 응력을

"열변형률" 그리고 "열응력"이라고 부릅니다.

 

대부분의 구조용 재료에 대해

열변형률은 온도변화에 비례합니다.

(이는 설계와 해석에서 기본적으로 사용되고 있습니다.)

 

 

열응력과 열변형률에 대한 공식에서

알파값,

즉, 열팽창계수는 재료의 고유값입니다.

재료의 고유값이란,

재료마다 각기 다른 값을 가지고 있다는 뜻입니다.

즉, 열팽창 계수는 재료의 특성을 나타내는 값이라는 겁니다.

 

 

2. 열변형률, 열응력 부호

열변형률 또는 열응력의 부호는

재료가 팽창할 시(온도 증가) " + "

재료가 수축할 시(온도 하강) " - "

 

로 가정합니다.

 

팽창은 인장

수축은 압축과

유추하여 볼 수 있기 때문에,

 

또는 온도 증가와 하강에 대해서도

유추할 수 있기 때문에,

부호에 대해서 헷갈릴 염려는 없을 것입니다.

 

 

3. 열응력 기본 식 세우기 (문제적용)

열응력관해서

제일 중요한 것은

구조와 상황에 맞게 식 (적합방정식) 을 세우는 것입니다.

 

 

예로들어 문제를 하나 보겠습니다.

(아래그림 참고하시면서 글을 읽으시면 되겠습니다.)

 

위아래로 구속된 봉AB에 대해 온도효과를 준다면,

반력이 발생합니다.

 

 

그런데,

구속조건에 의해 온도를 주었음에도 불구하고

이에 따라 하중이 발생함에도 불구하고,

변형률이 발생하지 않았습니다.

 

만약 구속이 되지 않았다면,

아래 왼쪽그림처럼 되었을 겁니다.

 

하지만,

위 아래 길이에 대한 구속이 되어서,

온도효과에 의한 변형률이

구속에 의해 발생한 반력에 의해 상쇄가 된 것입니다.

 

그래서 총변형률은 " 0 " 입니다.

 

따라서,

식을 아래와 같이 세울 수가 있습니다.

이것이

기본적인 열응력에 대한 식을 세워 문제해결하는 방식입니다.

 

이러한 식이 모두 공통으로 적용되는 것이 아닙니다.

구조물과 상황에 맞게 식을 잘 세우고 적용하는 것이

매우 중요합니다.

 

 

열응력에 대해서 좋은 문제가 생긴다면,

따로 추가적으로 포스팅을 하겠습니다.

 

 

다음에는 충격하중에 대해서 포스팅 하겠습니다.

 

 

4. 충격하중 이해하기 (1) - 에너지 변환 관점 (링크)

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충격하중은 진동과도 관련이 있습니다.

다음 포스팅 글은

충격하중에 대한 식이

어떻게 나오는지 서술하였습니다.

이를 통해 식을 이해하여

머릿속에 남기는 곳이 중요합니다.

식을 외우는 것은 쉽지 않기 때문입니다.

"충격하중"과 관련하여,

자세한 것은 링크를 참고하기 바랍니다.

 

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앞으로도 엔지니어에게 좋은 지식과 정보를 이해하기 쉽게 글을 포스팅하겠습니다. (By. 요르문간드)