應(yīng)力集中的利用與避免

應(yīng)力集中的利用與避免摘要應(yīng)力集中是受力零件或構(gòu)件在形狀、尺寸急劇變化的局部出現(xiàn)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象。應(yīng)力集中會(huì)引起脆性材料斷裂；使物體產(chǎn)生疲勞裂紋，應(yīng)力的最大值（峰值應(yīng)力）與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。通過電測法、光彈性法、有限元法以及邊界元法等實(shí)驗(yàn)手段測出物體的應(yīng)力集中。在日常生產(chǎn)生活中，可以通過相應(yīng)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中的利用與避免。關(guān)鍵詞應(yīng)力集中應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力測量應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力集中是指受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象。對(duì)于由脆性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中現(xiàn)象將一直保持到最大局部應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限之前。因此，在設(shè)計(jì)脆性材料構(gòu)件時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。對(duì)于由塑性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中對(duì)其在靜載荷作用下的強(qiáng)度則幾乎無影響。所以，在研究塑性材料構(gòu)件的靜強(qiáng)度問題時(shí)，通常不考慮應(yīng)力集中的影響。通過提高冶金質(zhì)量、加工質(zhì)量可有效減小應(yīng)力集中。小到零件制造（如齒輪加工）大到工程建設(shè)（如奧運(yùn)會(huì)鳥巢建設(shè)）都要進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)及計(jì)算。如傳動(dòng)軸軸肩圓角、鍵槽、油孔和緊配合等部位，受力后均產(chǎn)生應(yīng)力集中。這些部位的峰值應(yīng)力從集中點(diǎn)到鄰近區(qū)的分布有明顯的下降，呈現(xiàn)很高的應(yīng)力梯度。零件的早期失效常發(fā)生在應(yīng)力集中的部位,因此了解和掌握應(yīng)力集中問題，對(duì)于機(jī)械零件的合理設(shè)計(jì)和減少機(jī)械的早期失效有重要意義。再如，劃玻璃時(shí)把玻璃墊在桌邊，就齊齊扳斷，撕布時(shí)先剪一小口，就容易撕開；易拉罐開啟部分的設(shè)計(jì)；橋梁設(shè)計(jì)，用ANSYS模擬鋼筋混凝土梁兩點(diǎn)對(duì)稱加載，集中荷載如何布置才能避免應(yīng)力集中造成混凝土過早破壞!等等，這些無一不涉及到集中應(yīng)力。彈性力學(xué)中的一類問題，應(yīng)力在固體局部區(qū)域內(nèi)顯著增高的現(xiàn)象。多出現(xiàn)于尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰域。應(yīng)力集中會(huì)引起脆性材料斷裂；使物體產(chǎn)生疲勞裂紋。在應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力的最大值(峰值應(yīng)力)與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。局部增高的應(yīng)力值隨與峰值應(yīng)力點(diǎn)的間距的增加而迅速衰減。由于峰值應(yīng)力往往超過屈服極限而造成應(yīng)力的重新分配，所以，實(shí)際的峰值應(yīng)力常低于按彈性力學(xué)計(jì)算出的理論峰值應(yīng)力。反映局部應(yīng)力增高程度的參數(shù)稱為應(yīng)力集中系數(shù)k它是峰值應(yīng)力與不考慮應(yīng)力集中時(shí)的應(yīng)力的比值，恒大于1且與載荷大小無關(guān)。在無限大平板的單向拉伸情況下，其中圓孔邊緣的k=3；在彎曲情況下，對(duì)于不同的圓孔半徑與板厚比值，k=1.8?3.0；在扭轉(zhuǎn)情況下，k=1.6?4.0。如下圖所示的帶圓孔的板條，使其承受軸向拉伸。由試驗(yàn)結(jié)果可知：在圓孔附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力急劇增大，而在離開這一區(qū)域稍遠(yuǎn)處，應(yīng)力迅速減小而趨于均勻。這種由于截面尺寸突然改變而引起的應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。在I—I截面上，孔邊最大應(yīng)力％與同一截面上的平均應(yīng)力口之比，用①表示氐=魚乞 (2-17)稱為理論應(yīng)力集中系數(shù)，它反映了應(yīng)力集中的程度，是一個(gè)大于1的系數(shù)。而且試驗(yàn)結(jié)果還表明：截面尺寸改變愈劇烈，應(yīng)力集中系數(shù)就愈大。因此，零件上應(yīng)盡量避免帶尖角的孔或槽，在階梯桿截面的突變處要用圓弧過渡。

表1楠區(qū)孔按應(yīng)力集中SW 的變化I1/&■mb a/d010.2041-02.05425-D95,21^.425.74co■I.J■f力集中不0.08僅與物體9.12的形狀030~r~rdmVa?亠及外形結(jié)y.60構(gòu)有關(guān)，IU.02還與選取材料關(guān)，與外界應(yīng)用環(huán)境也存在不可忽略的關(guān)系（如溫度因素），另外，在加工過程中也可能導(dǎo)致應(yīng)力的改變，例如回火不當(dāng)引起二次淬火裂紋、電火花線切割加工顯微裂紋、機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)也難免導(dǎo)致某部位的應(yīng)力集中。這就需要設(shè)計(jì)人員綜合考慮各個(gè)方面因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用應(yīng)力集中知識(shí)造福人類，讓生活更美好。不同的材料，影響集中應(yīng)力的因素不同，塑性材料具有屈服階段,當(dāng)孔邊附近的最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，該處材料首先屈服，應(yīng)力暫時(shí)不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應(yīng)力就由截面上尚未屈服的材料所承擔(dān)，使截面上其它點(diǎn)的應(yīng)力相繼增大到屈服極限，該截面上的應(yīng)力逐漸趨于平均。因此，用塑性材料制作的零件，在靜荷作用下可以不考慮應(yīng)力集中的影響。而鑄鐵本身材料就不是均勻的，應(yīng)力分布更不均勻，用組織不均勻脆性材料制作的零件，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，對(duì)于這些材料的構(gòu)件，往往施加的外應(yīng)力是次要因素。要應(yīng)用或避免這些集中應(yīng)力就必須進(jìn)行一定的測量和應(yīng)力監(jiān)測，目前主要的應(yīng)力測試方法有電測法、光纖光柵法、振弦式應(yīng)變測量等。應(yīng)力監(jiān)測一般是指在建構(gòu)筑物施工過程中，如鋼結(jié)構(gòu)安裝、卸載、改造、加固，混凝土澆筑等過程，采用監(jiān)測儀器對(duì)受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)手段，在監(jiān)測值接近控制值時(shí)發(fā)出報(bào)警，用來保證施工的安全性，也可用于檢查施工過程是否合理。要實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中的利用與避免，僅通過實(shí)驗(yàn)及檢測是不夠的，還需要進(jìn)行一定的計(jì)算。計(jì)算應(yīng)力時(shí)最重要的是確定構(gòu)件的安全系數(shù)及最大需用應(yīng)力，在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)復(fù)雜，例如，導(dǎo)線的特征應(yīng)力及放線應(yīng)力計(jì)算，先列導(dǎo)線應(yīng)力狀態(tài)方程，計(jì)算導(dǎo)線比載，根據(jù)氣象組合，計(jì)算各種運(yùn)行情況下的導(dǎo)線比載g1~g7,具體如下：(導(dǎo)線自重比載(N/m? ?2)gl二G/S二B5/A5—M5、覆冰比載(N/m?儷2)g2=0.0277623b(d+b)/S=0.0277623XD5C5+D5)/A5fN5)等，確定導(dǎo)線的安全系數(shù)和最大使用應(yīng)力：輸配電線路大多采用多股鋁絞線，鋼芯鋁絞線,其導(dǎo)線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)K對(duì)于經(jīng)過重要地區(qū)的線路取3.0,對(duì)于經(jīng)過一般地區(qū)的線路取2.5。最后確定臨界檔距并進(jìn)行導(dǎo)線特性應(yīng)力、臨界檔距計(jì)算演示。其他工程設(shè)計(jì)中也會(huì)有各自的計(jì)算方式，雖然側(cè)重點(diǎn)不同，但是進(jìn)行重要性都非常大。總結(jié):為避免應(yīng)力集中造成構(gòu)件破壞，可采取消除尖角、改善構(gòu)件外形、局部加強(qiáng)孔邊以及提高材料表面光潔度等措施；另外還可對(duì)材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強(qiáng)度。10機(jī)制三班程英杰學(xué)號(hào)：201001246文獻(xiàn)《應(yīng)力集中手冊》作者：（蘇）「.H.薩文B.S.杜爾契出版社：山東理工大學(xué)圖書館電子書1983.11第3到245頁[M]《材料力學(xué)》作者：劉鴻文出版社：北京高等教育出