Концентрация стресса - Stress concentration

Линии внутренних сил у отверстия более плотные

Концентрации напряжений (также называемые стресс рейзером или стресс райзером ) является расположением в объекте , где напряжение значительно больше , чем окружающая область. Концентрации напряжений возникают, когда есть неровности в геометрии или материале конструктивного элемента, которые вызывают прерывание потока напряжения. Это возникает из-за таких деталей, как отверстия , канавки , выемки и галтели . Концентрации напряжения также могут возникать в результате случайных повреждений, таких как порезы и царапины.

Степень концентрации неоднородности при типичных растягивающих нагрузках может быть выражена как коэффициент концентрации безразмерных напряжений , который представляет собой отношение максимального напряжения к номинальному напряжению в дальней зоне. Для круглого отверстия в бесконечной пластине . Не следует путать коэффициент концентрации напряжений с коэффициентом интенсивности напряжений , который используется для определения влияния трещины на напряжения в области вокруг вершины трещины. ${\ displaystyle K_ {t}}$${\ displaystyle K_ {t} = 3}$

Для пластичных материалов, большие нагрузки могут привести к локализованным пластической деформации или получая , что обычно происходят сначала при концентрации напряжений , позволяющее перераспределение напряжений и благоприятной компоненты продолжать нести нагрузку. Хрупкие материалы обычно разрушаются при концентрации напряжения. Однако повторяющаяся нагрузка на низком уровне может привести к возникновению усталостной трещины и ее медленному росту при концентрации напряжений, что приведет к разрушению даже пластичных материалов. Усталостные трещины всегда начинаются с концентраторов напряжений, поэтому устранение таких дефектов увеличивает усталостную прочность .

Описание

Концентрации напряжений возникают, когда есть неровности в геометрии или материале конструктивного элемента, которые вызывают прерывание потока напряжения.

Геометрические неоднородности заставляют объект испытывать локальное увеличение напряжения. Примерами форм, вызывающих концентрацию напряжений, являются острые внутренние углы, отверстия и резкие изменения площади поперечного сечения объекта, а также непреднамеренные повреждения, такие как зазубрины, царапины и трещины. Высокие локальные напряжения могут привести к более быстрому разрушению объектов, поэтому инженеры обычно проектируют геометрию таким образом, чтобы минимизировать концентрацию напряжений.

Неровности материала, такие как включения в металлах, также могут концентрировать напряжение. Включения на поверхности детали могут сломаться в результате механической обработки во время производства, что приведет к образованию микротрещин, которые растут в процессе эксплуатации из-за циклического нагружения. Внутри разрушение границ раздела вокруг включений во время нагрузки может привести к статическому разрушению из- за слияния микропустот .

Фактор концентрации напряжений

Коэффициент концентрации напряжений , является отношением самого высокого напряжения до номинального напряжения полного поперечного сечения и определяются как ${\ displaystyle K_ {t}}$${\ displaystyle \ sigma _ {\ max}}$${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {nom}}}$

${\ displaystyle K_ {t} = {\ frac {\ sigma _ {\ max}} {\ sigma _ {\ text {nom}}}}}$

Обратите внимание, что безразмерный коэффициент концентрации напряжений зависит от геометрической формы и не зависит от ее размера. Эти факторы можно найти в типовых технических справочных материалах.

Э. Кирш вывел уравнения для распределения упругих напряжений вокруг отверстия . Максимальное напряжение, ощущаемое возле отверстия или надреза, возникает в области наименьшего радиуса кривизны . В эллиптическом отверстии длины и ширины при номинальном напряжении или напряжении в дальнем поле напряжение на концах главных осей определяется уравнением Инглиса: ${\ displaystyle 2a}$${\ displaystyle 2b}$${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {nom}}}$

${\ displaystyle \ sigma _ {\ max} = \ sigma _ {\ text {nom}} \ left (1 + 2 {\ cfrac {a} {b}} \ right) = \ sigma \ left (1 + 2 { \ sqrt {\ cfrac {a} {\ rho}}} \ right)}$

где - радиус кривизны эллиптического отверстия. Для круглых отверстий в бесконечной пластине, где коэффициент концентрации напряжений равен . ${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle a = b}$${\ displaystyle K_ {t} = 3}$

Когда радиус кривизны приближается к нулю, например, на вершине острой трещины, максимальное напряжение приближается к бесконечности, и поэтому коэффициент концентрации напряжений не может использоваться для трещины. Вместо этого используется коэффициент интенсивности напряжений, который определяет масштаб поля напряжений вокруг вершины трещины.

Методы определения факторов

Существуют экспериментальные методы измерения факторов концентрации напряжений, включая анализ фотоупругих напряжений, анализ термоупругих напряжений, хрупкие покрытия или тензодатчики .

На этапе проектирования существует несколько подходов к оценке факторов концентрации напряжений. Опубликовано несколько каталогов коэффициентов концентрации напряжений. Возможно, самым известным из них является « Расчетные факторы концентрации напряжений» Петерсона, впервые опубликованный в 1953 году. Методы конечных элементов широко используются в проектировании сегодня.

Ограничение воздействия концентраций стресса

Известный как затупление вершины трещины, противоречащий интуиции метод уменьшения одного из худших типов концентрации напряжений, трещины , заключается в просверливании большого отверстия в конце трещины. Просверленное отверстие с его относительно большим размером служит для увеличения эффективного радиуса вершины трещины и, таким образом, уменьшения концентрации напряжений.

Другой метод, используемый для уменьшения концентрации напряжений, - добавление скругления к внутренним углам. Это снижает концентрацию напряжений и приводит к более плавному течению линий тока напряжений.

В резьбовом компоненте линия силового потока изгибается при переходе от части хвостовика к части с резьбой; в результате происходит концентрация стресса. Чтобы уменьшить это, между хвостовиком и резьбовыми частями делается небольшой подрез.

Примеры

Острый угол кирпича действует как концентратор напряжений в бетоне, вызывая его растрескивание.

• Де Havilland Comet самолет пережил ряд катастрофических неудач , которые в конечном итоге были найдены , чтобы быть из - за усталости трещин , растущих из - за высокой концентрации напряжений , вызванным использованием перфорированных отверстий для заклепок вокруг автоматических выключателей пеленгатора (иногда называют окнами). Было обнаружено, что квадратные пассажирские окна имеют более высокую концентрацию напряжения, чем ожидалось, и были переработаны.
• Хрупкие трещины в углах люков кораблей Liberty в холодных и стрессовых условиях во время зимних штормов в Атлантическом океане .

Этот ортез имплантируется для поддержки бедренной кости после перелома , но концентрация напряжения на ее изгибе увеличивает вероятность того, что она может сломаться под нагрузкой.

• Точка фокусировки напряжения на краях имплантата, где металл встречается с костью, имплантированного ортеза , очень вероятно, станет точкой отказа.

использованная литература

внешние ссылки

• Когда металл подводит нас