Stress Concentration

Что такое концентрация стресса и как ее снизить

Концентрация напряжений – это накопление напряжений в определенных областях материала или конструкции из-за наличия геометрических неровностей, несплошностей материала или внешних нагрузок. Эти неровности могут включать углы, выемки, отверстия, скругления, изменения площади поперечного сечения sharp или любые другие особенности, нарушающие равномерность распределения напряжений. Когда происходит концентрация напряжения, уровни напряжения в этих локализованных областях могут стать значительно выше, чем приложенное напряжение, что приводит к потенциальному разрушению. Поэтому понимание и снижение концентрации напряжений является важным фактором при инженерном проектировании.

В этой статье мы углубимся в концепцию концентрации напряжений, изучим ее причины, обсудим ее влияние на материалы и основные области применения, подчеркнем важность предотвращения концентрации напряжений и предоставим идеи по смягчению ее пагубных последствий.

Что такое концентрация стресса?

Концентрация напряжений, также называемая напряжением raiser или напряжением riser, или чувствительностью к вырезу, представляет собой место в объекте, где напряжение существенно выше, чем в окружающей области. Они возникают из-за нарушений геометрии или материала конструктивного элемента, которые прерывают поток напряжений. К таким неровностям относятся отверстия, канавки, выемки, скругления и случайные повреждения, такие как вмятины и царапины. 

Степень концентрации напряжений, вызванную нарушением сплошности при растягивающих нагрузках, можно определить как безразмерный коэффициент концентрации напряжений Kt. Kt относится к отношению максимального напряжения к номинальному напряжению в дальней зоне. Например, круглое отверстие в бесконечной пластине имеет коэффициент концентрации напряжений 3, что равно Kt=3. Отметим, что коэффициент концентрации напряжений отличается от коэффициента интенсивности напряжений. Коэффициент интенсивности напряжений используется для определения влияния трещины на напряжения в области вокруг вершины трещины.

В пластичных материалах при высоких нагрузках локализованная пластическая деформация обычно сначала возникает при концентрации напряжений, перераспределяя напряжение и позволяя продолжать нагрузку. Хрупкие материалы обычно разрушаются при концентрациях напряжений. Однако даже пластичные материалы могут разрушиться из-за усталостных трещин, которые возникают и медленно растут в результате повторяющихся нагрузок низкого уровня при концентрации напряжений. Поскольку усталостные трещины всегда начинаются при напряжении raisers, удаление таких дефектов увеличивает усталостную прочность.

Что вызывает концентрацию стресса?

Концентрация напряжений в материалах не случайна, а вызвана конкретными условиями и характеристиками. Некоторые основные причины включают в себя:

Геометрические неровности

Геометрические неровности приводят к увеличению локализованного напряжения в объекте. Концентрации напряжений могут возникать в результате различных форм, включая внутренние углы sharp, отверстия, внезапные изменения площади поперечного сечения, а также непреднамеренные повреждения, такие как вмятины, царапины и трещины. Высокое локализованное напряжение может привести к более быстрому выходу объекта из строя, поэтому инженеры часто проектируют геометрию так, чтобы минимизировать концентрацию напряжений.

stress concentration in hole 1

Существенные разрывы

Нарушения целостности материала, такие как включения в металлах, также могут концентрировать напряжение. Включения, присутствующие на поверхности детали, могут разрушаться в процессе изготовления, что приводит к образованию микротрещин, растущих от циклического нагружения во время service. Внутреннее разрушение границ раздела, окружающих включения, в условиях нагрузки может привести к статическому разрушению из-за слияния микропустот.

Внешние нагрузки

Приложенные нагрузки, такие как растяжение, сжатие, изгиб или кручение, могут вызвать концентрацию напряжений. Примечательно, что эти нагрузки могут усугубить концентрацию напряжений при наличии геометрических неровностей или неоднородностей материала.

Тепловая нагрузка

Изменения температуры могут вызвать различия в тепловом расширении и сжатии внутри конструкции. Это вызывает внутренние напряжения, которые приводят к концентрации напряжений.

Влияние концентрации напряжений на материал

Концентрация напряжений относится к локализованному увеличению уровней напряжений внутри материала, вызванному наличием геометрических особенностей. Воздействие концентрации напряжений на материалы может быть пагубным и включать следующее:

Повышенный уровень стресса: Концентрация напряжений усиливает уровни напряжений в локализованных областях, которые могут превышать предел текучести материала. Это может привести к пластической деформации, возникновению трещин или даже к катастрофическому разрушению.

Пониженная сила: Концентрация напряжений может вызвать значительное снижение прочности материала. Локализованное увеличение напряжения может превысить предел текучести материала или предел прочности на разрыв, что приводит к локализованной деформации или разрушению.

Усталостный отказ: Концентрация напряжений может ускорить возникновение и распространение усталостных трещин в материалах, подвергающихся циклическому нагружению. Повышенные уровни напряжений в местах концентрации напряжений способствуют зарождению трещин, которые могут привести к преждевременному разрушению при повторяющихся нагрузках.

fatigue failure at stress concentration point

Хрупкое разрушение: Материалы, склонные к хрупкому разрушению, такие как некоторые виды керамики и чугуна, могут подвергнуться катастрофическому разрушению из-за концентрации напряжений. Высокая концентрация напряжений может вызвать распространение трещин без значительной пластической деформации, что приведет к внезапному и полному разрушению.

Локализованная деформация: Концентрация напряжений может вызвать локализованную пластическую деформацию материала. Эта деформация может привести к необратимым изменениям формы материала, таким как образование сужений или деформация вокруг надрезов, что может повлиять на общие характеристики и целостность конструкции.

Снижение усталостной долговечности: Концентрация напряжений может значительно снизить усталостную долговечность материала. Наличие напряжения raisers может инициировать появление трещин при более низких уровнях напряжения и ускорить их рост, приводя к преждевременному разрушению в условиях циклического нагружения.

Повышенная чувствительность к факторам окружающей среды: Места концентрации напряжений могут быть более восприимчивы к воздействию факторов окружающей среды, таких как коррозия, окисление или изменения температуры. Повышенные уровни напряжения могут способствовать возникновению и распространению коррозии или окисления, что еще больше ухудшает целостность материала.

Почему следует избегать концентрации стресса?

Следует избегать концентрации напряжений, поскольку она может значительно ослабить материал и привести к преждевременному выходу из строя. Когда конструктивный элемент или материал подвергается нагрузке, напряжение распределяется по всему его телу. Однако наличие геометрических неровностей, таких как углы sharp, отверстия или резкие изменения поперечного сечения, может привести к концентрации напряжений в этих областях.

Концентрация напряжения происходит потому, что неровности нарушают плавное течение напряжения, создавая локализованные области высокого напряжения. Эти области с высоким напряжением могут превышать прочность материала и lead, что приводит к зарождению и распространению трещин. Даже если материал изначально достаточно прочен, чтобы выдержать приложенную нагрузку, концентрация напряжений может снизить его усталостную долговечность и сделать его более восприимчивым к разрушению с течением времени.

research stress concentration

Существует несколько причин, по которым следует избегать концентрации стресса:

  1. Предотвратить неудачу

Устранив несплошности и минимизировав концентрацию напряжений, можно значительно снизить риск разрушения из-за пластической деформации, разрушения, усталости или ползучести. Это повышает безопасность и надежность.

  1. Повысить производительность

Снижение концентрации напряжений позволяет лучше распределять напряжения по детали. Это снижает вероятность локальной текучести и позволяет лучше использовать полную прочность материала.

  1. Сокращение затрат

Неисправности, связанные с концентрацией напряжений, такие как разрушение или усталостное растрескивание, часто требуют дорогостоящего ремонта или замены деталей. Таким образом, минимизация концентрации может со временем помочь снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.

  1. Достигните более длительного срока службы Service

Поскольку усталостная долговечность связана с серьезностью концентрации напряжений, снижение концентрации может существенно продлить срок службы компонентов. Это особенно важно для деталей, испытывающих циклические нагрузки.

  1. Поддерживать структурную целостность

Концентрация напряжений может поставить под угрозу структурную целостность материалов, вызывая деформацию, искажение или даже разрушение. Устранив концентрацию напряжений, можно сохранить структурную целостность.

  1. Обеспечение безопасности

Концентрация напряжений может поставить под угрозу безопасность конструкций, машин или оборудования. Устранение точек концентрации стресса имеет важное значение для предотвращения несчастных случаев, травм или дорогостоящего ущерба.

Как смягчить эффект концентрации стресса?

Смягчение последствий концентрации напряжений имеет решающее значение для поддержания целостности и надежности материалов и конструкций. Вот несколько эффективных стратегий минимизации концентрации стресса:

  1. Включите в дизайн постепенные переходы

Концентрации напряжений часто возникают в результате внезапных геометрических изменений или резких переходов формы. Чтобы решить эту проблему, дизайнеры должны использовать целевые параметры проектирования, такие как радиусы скруглений или конусы, чтобы облегчить плавный переход между различными формами. Сглаживая критические области конструкции, можно влиять на поток напряжений, эффективно избегая накопления напряжений в локализованных областях.

  1. Используйте рельефные насечки

У проектировщиков есть возможность снизить концентрацию напряжений, удалив материал вокруг выемок, что приводит к созданию дополнительной канавки, известной как рельефная выемка. Несмотря на то, что рельефные вырезы привносят в конструкцию некоторые дополнительные геометрические элементы, дизайнеры могут использовать их для управления линиями напряжений внутри детали.

Reduce Stress Concentration Around a Notch

  1. Выбирайте несколько небольших рельефных насечек вместо одной длинной.

Когда необходимы отверстия и выемки, оптимальным является использование многочисленных небольших рельефных выемок. В отличие от предыдущего метода использования одной канавки для исправления любых неровностей, этот метод требует создания нескольких меньших насечек вокруг каждой намеренной выемки, чтобы уменьшить возможную концентрацию напряжений. Инженеры могут убрать лишний материал, чтобы сделать миниатюрные насечки, сохранив при этом первоначальную насечку.

  1. Избегайте углов Sharp

Обычно рекомендуется избегать углов sharp, особенно при обработке внутренней геометрии детали на станке с ЧПУ. Кроме того, если проектировщики обеспокоены созданием концентрации напряжений, им также следует избегать углов sharp. Даже если проект требует углов sharp, проектировщикам следует учитывать радиус скругления в таких углах sharp. Этот конструктивный фактор гарантирует постепенное уменьшение площади поперечного сечения, а не внезапное, тем самым способствуя более равномерному распределению напряжений по всей детали.

  1. Обеспечьте маленькие отверстия рядом с большим отверстием

Когда объект имеет внутреннее отверстие, интенсивность напряжения выше этого отверстия. Чтобы решить эту ситуацию, рядом с исходным отверстием можно сделать дополнительные отверстия меньшего размера. Создание этих дополнительных отверстий позволяет распределять напряжение более равномерно, чем когда было только одно отверстие.

  1. Уменьшите номинальный диаметр резьбового объекта и сделайте его равным диаметру сердечника.

Предположим, у нас есть резьбовой объект, у которого интенсивность напряжений в резьбовой части выше. Вероятность того, что объект может выйти из строя, также выше в резьбовой части. Чтобы предотвратить это, мы можем уменьшить номинальный диаметр хвостовика и привести его в соответствие с диаметром сердечника. При этом распределение напряжений в объекте с резьбой станет более равномерным.

  1. Снятие стресса

Применяйте методы снятия напряжений, такие как термообработка или дробеструйная обработка, чтобы уменьшить остаточные напряжения и минимизировать концентрацию напряжений.

  1. Выбор материала

Выберите материалы Выбирайте материалы с более высокой прочностью и пластичностью, чтобы противостоять эффектам концентрации напряжений. Материалы с хорошей вязкостью разрушения могут поглощать больше энергии и противостоять распространению трещин.

Stress Concentration design

Применение концентрации напряжений

Вот некоторые ключевые применения концентрации напряжений:

– Механика разрушения – Концентрации напряжений играют важную роль в возникновении разрушения. Трещины часто образуются в местах высокой концентрации напряжений, особенно в условиях циклического нагружения. Принципы механики разрушения используют факторы концентрации напряжений для прогнозирования возникновения и роста трещин.

– Усталостный отказ – Усталостные трещины, связанные с разрушением, обычно возникают в местах концентрации напряжений на детали, подвергающейся меняющимся напряжениям. Снижение концентрации напряжений за счет изменений в конструкции может значительно улучшить усталостную долговечность.

– Purposeful Точки отказа – В некоторых случаях концентрации напряжений намеренно создаются в детали, чтобы вызвать отказ в определенном месте. Примеры включают выступы натяжения болтов и зазубрины на стекле.

– МЭМС/НЭМС – Микромасштабные device часто используют эффекты концентрации стресса для усиления уровня стресса/напряжения для активации и восприятия purposes. 

– Клеи – Концентрации напряжений могут быть полезны для контролируемого разделения склеенных деталей. Более высокие локализованные напряжения помогают инициировать разделение на границе раздела.

Краткое содержание

Концентрации напряжений представляют собой серьезный риск для инженерных компонентов, часто вызывая отказы и снижая усталостную долговечность. Локализованное увеличение напряжений происходит из-за неоднородностей, таких как отверстия, выемки и углы, которые уменьшают несущую площадь и нарушают потоки напряжений. Концентрированные напряжения могут привести к чрезмерной деформации, разрушению, ускоренному усталостному повреждению и проблемам ползучести. 

Инженеры должны стремиться при проектировании деталей избегать геометрических нарушений, где это возможно, или использовать такие методы, как рельефные насечки, улучшенные материалы и сжимающие напряжения, чтобы смягчить вредные последствия любых неизбежных концентраций напряжений. При правильном проектировании и анализе можно управлять рисками концентрации напряжений, обеспечивая более безопасные и долговечные конструкции компонентов.

Ссылка

Концентрация стресса – Из Википедии

Часто задаваемые вопросы

Да, концентрация напряжений может возникать во всех материалах, включая металлы, полимеры, керамику и композиты. Однако серьезность и восприимчивость к концентрации напряжений могут варьироваться в зависимости от свойств материала.

Не всегда. В то время как некоторые точки концентрации напряжений, такие как углы или выемки sharp, можно идентифицировать визуально, другие, такие как микротрещины или включения материала, могут потребовать применения передовых методов контроля для обнаружения.

Полностью исключить концентрацию напряжений в конструкции сложно. Однако благодаря тщательному проектированию, выбору материалов и методам снятия напряжений вредное воздействие концентрации напряжений можно значительно уменьшить.

Концентрация напряжений может оказывать различное воздействие на разные материалы. Например, в хрупких материалах концентрация напряжений может привести к быстрому распространению трещин и хрупкому разрушению. В пластичных материалах это может привести к локализованной пластической деформации и снижению усталостной долговечности.

Да, концентрация напряжений может возникать как в структурных, так и в неструктурных компонентах. Любой материал, подвергающийся внешним нагрузкам или геометрическим неровностям, подвержен концентрации напряжений, независимо от его применения.

Производство по требованию Service

LEADRP обеспечивает прототипирование и изготовление по требованию service, в том числе ЧПУ обработка, изготовление листового металла, обычай оснастка, литье под давлением, уретановое литье, и 3D печать. С LEADRP вы можете решить любую задачу, связанную с разработкой и производством продукта. Нажмите, чтобы рассказать нам о своем проекте или свяжитесь с нами для получения дополнительной информации.

From Design to Prototype
ru_RURU
Оглавление
Прокрутка к началу

Мы делаем ваши индивидуальные продукты лучше и быстрее

Будь то единичный прототип или серийное производство из тысяч единиц, LEADRP готов поддержать ваш проект. Просто сообщите нам свой проект, и мы свяжемся с вами в течение 12 часов.

Все загрузки безопасны и конфиденциальны, нажмите, чтобы проверить наш Политика защиты интеллектуальной собственности. Вы также можете связаться с нами (service@leadrp.com), чтобы подписать соглашение о неразглашении информации перед отправкой нам любых дизайнерских файлов. Если появится сообщение о том, что формат файла не поддерживает загрузку, пожалуйста, сожмите файл в zip-файл перед отправкой.