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应力集中的利用与避免

更新时间:2014/11/1  点击数:2879


应力集中现象可以说是在日常生活中无处不见,有些工程需要消除集中应力,有些则需要增大集中应力。应力集中是如何产生的?了解应力的产生是工程制造加工及生产生活中的重要部分。通过相关设计,可以为生活提供许多方便,减少一些不必要的麻烦,还可以减少和避免很多不必要的伤害。材料的不均匀及裂纹的存在,都可能导致应力集中。反映局部应力增高程度的参数称为应力集中系数k,它是峰值应力与不考虑应力集中时的应力的比值,恒大于1且与载荷大小无关。

  小到零件制造(如齿轮加工)大到工程建设(如奥运会鸟巢建设)都要进行应力试验及计算。如传动轴轴肩圆角、键槽、油孔和紧配合等部位,受力后均产生应力集中。这些部位的峰值应力从集中点到邻近区的分布有明显的下降,呈现很高的应力梯度。零件的早期失效常发生在应力集中的部位,因此了解和掌握应力集中问题,对于机械零件的合理设计和减少机械的早期失效有重要意义。再如,划玻璃时把玻璃垫在桌边,就齐齐扳断,撕布时先剪一小口,就容易撕开;易拉罐开启部分的设计;桥梁设计,用ANSYS模拟钢筋混凝土梁两点对称加载,集中荷载如何布置才能避免应力集中造成混凝土过早破坏!等等,这些无一不涉及到集中应力。

  应力集中的利用都源于实际生产生活,一些结论均来自实验。需要我们不断去探索、总结。在无限大平板的单向拉伸情况下,其中圆孔边缘的k=3;在弯曲情况下,对于不同的圆孔半径与板厚比值,k=1.8~3.0;在扭转情况下,k=1.6~4.0。

  如下图所示的带圆孔的板条,使其承受轴向拉伸。由试验结果可知 : 在圆孔附近的局部区域内,应力急剧增大,而在离开这一区域稍远处,应力迅速减小而趋于均匀。这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。在 I — I 截面上,孔边*大应力

与同一截面上的平均应力
之比,用
表示

  

  称为理论应力集中系数,它反映了应力集中的程度,是一个大于 1 的系数。而且试验结果还表明 : 截面尺寸改变愈剧烈,应力集中系数就愈大。因此,零件上应尽量避免带尖角的孔或槽,在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡。

  

  

  应力集中不仅与物体的形状及外形结构有关,还与选取材料有关,与外界应用环境也存在不可忽略的关系(如温度因素),另外,在加工过程中也可能导致应力的改变,例如回火不当引起二次淬火裂纹、电火花线切割加工显微裂纹、机械设计时也难免导致某部位的应力集中。这就需要设计人员综合考虑各个方面因素进行设计,应用应力集中知识造福人类,让生活更美好。

  不同的材料,影响集中应力的因素不同,塑性材料具有屈服阶段,当孔边附近的*大应力 达到屈服极限时,该处材料首先屈服,应力暂时不再增大。如外力继续增加,增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担,使截面上其它点的应力相继增大到屈服极限,该截面上的应力逐渐趋于平均。因此,用塑性材料制作的零件,在静荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而铸铁本身材料就不是均匀的,应力分布更不均匀,用组织不均匀脆性材料制作的零件,应力集中将大大降低构件的强度,对于这些材料的构件,往往施加的外应力是次要因素。

  要应用或避免这些集中应力就必须进行一定的测量和应力监测,目前主要的应力测试方法有电测法、光纤光栅法、振弦式应变测量等 。应力监测一般是指在建构筑物施工过程中,如钢结构安装、卸载、改造、加固,混凝土浇筑等过程,采用监测仪器对受力结构的应力变化进行监测的技术手段,在监测值接近控制值时发出报警,用来保证施工的安全性,也可用于检查施工过程是否合理。

  要实现应力集中的利用与避免,仅通过实验及检测是不够的,还需要进行一定的计算。计算应力时*重要的是确定构件的安全系数及*大需用应力,在实际应用中相当复杂,例如,导线的特征应力及放线应力计算,先列导线应力状态方程,计算导线比载,根据气象组合,计算各种运行情况下的导线比载g1~ g7,具体如下:(导线自重比载(N/m· ㎜2)g1=G/S=B5/A5→M5、覆冰比载(N/m· ㎜2)g2=0.0277623b(d+b)/S=0.0277623×D5 C5+D5)/A5→N5)等,确定导线的安全系数和*大使用应力:输配电线路大多采用多股铝绞线,钢芯铝绞线,其导线的设计安全系数K对于经过重要地区的线路取3.0, 对于经过一般地区的线路取2.5。*后确定临界档距并进行导线特性应力、临界档距计算演示。其他工程设计中也会有各自的计算方式,虽然侧重点不同,但是进行重要性都非常大。

  总结:

  为避免应力集中造成构件破坏,可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等措施,避免形状突变,尽可能开圆孔或椭圆孔;根据孔边应力集中的分析成果进行孔边局部加强;另外还可对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理,以提高材料表面的疲劳强度。为增大集中应力,可采对材料外形及加工方式加工部位进行合理地机械设计,通过相应实验及计算选择合适的材料。从而实现应力集中的利用与避免。

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