Концентрация стресса - Stress concentration

Внутренний силовые линии плотнее возле дыры

А концентрация напряжения (также называемый средство повышения стресса или стрессоустойчивый) - это место в объекте, где стресс значительно больше, чем окружающий регион. Концентрации напряжений возникают, когда есть неровности в геометрии или материале конструктивного элемента, которые вызывают прерывание потока напряжения. Это вытекает из таких деталей, как дыры, канавки, выемки и филе. Концентрации напряжения также могут возникать в результате случайных повреждений, таких как порезы и царапины.

Степень концентрации несплошности при типичном растяжение нагрузки могут быть выражены как безразмерные коэффициент концентрации напряжений ${ displaystyle K_ {t}}$ , который представляет собой отношение максимального напряжения к номинальному напряжению в дальней зоне. Для круглого отверстия в бесконечной пластине ${ displaystyle K_ {t} = 3}$ .^[1] Коэффициент концентрации напряжений не следует путать с коэффициент интенсивности напряжений, который используется для определения влияния трещины на напряжения в области вокруг вершины трещины.^[2]

Для пластичных материалов большие нагрузки могут вызвать локальную пластическую деформацию или уступающий это обычно происходит сначала при концентрации напряжения, позволяющей перераспределить напряжение и позволяя компоненту продолжать нести нагрузку. Хрупкие материалы обычно разрушаются при концентрации напряжения. Однако повторная загрузка низкого уровня может вызвать усталость трещина возникает и медленно растет при концентрации напряжения, ведущей к разрушению даже пластичных материалов. Усталостные трещины всегда начинаются с концентраторов напряжений, поэтому устранение таких дефектов увеличивает предел выносливости.

Описание

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

Геометрические неоднородности вызывают локальное усиление нагрузки на объект. 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.

Разрывы материала, такие как включения в металлах также может концентрировать напряжение. Включения на поверхности детали могут быть повреждены в результате механической обработки во время производства, что приведет к образованию микротрещин, которые растут в процессе эксплуатации из-за циклической нагрузки. Внутренний отказ интерфейсов вокруг включений во время нагрузки может привести к статическому отказу из-за слияние микропустот.

Коэффициент концентрации напряжений

В коэффициент концентрации напряжений, ${ displaystyle K_ {t}}$ , - отношение наибольшего напряжения ${ displaystyle sigma _ { max}}$ до номинального напряжения ${ displaystyle sigma _ { text {nom}}}$ полного поперечного сечения и определяется как^[3]

{ 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.^[4] Эти факторы можно найти в стандартных технических справочных материалах.

Э. Кирш вывел уравнения для распределение упругих напряжений вокруг отверстия. Максимальное напряжение ощущается возле отверстия или выемка происходит в области самого низкого радиус кривизны. В эллиптическом отверстии длиной ${ displaystyle 2a}$ и ширина ${ displaystyle 2b}$ , при номинальном напряжении или напряжении в дальней зоне ${ displaystyle sigma _ { text {nom}}}$ , напряжение на концах главных осей определяется уравнением Инглиса:^[5]

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

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

Когда радиус кривизны приближается к нулю, например, на вершине острой трещины, максимальное напряжение приближается к бесконечности, и поэтому коэффициент концентрации напряжения не может использоваться для трещины. Вместо этого коэффициент интенсивности напряжений который определяет масштаб поля напряжений вокруг вершины трещины.^[2]

Методы определения факторов

Существуют экспериментальные методы измерения коэффициентов концентрации напряжений, в том числе: фотоупругий анализ напряжений, анализ термоупругих напряжений,^[6] хрупкие покрытия или тензодатчики.

На этапе проектирования существует несколько подходов к оценке факторов концентрации напряжений. Опубликовано несколько каталогов коэффициентов концентрации напряжений.^[7] Возможно, самый известный из них Расчетные факторы концентрации напряжений Петерсона, впервые опубликовано в 1953 году.^[8]^[9] Методы конечных элементов сегодня широко используются в дизайне.

Ограничение воздействия концентраций стресса

Известный как затупление вершины трещины, нелогичный метод снижения одного из наихудших типов концентрации напряжений, a трещина, это к дрель большое отверстие в конце трещины. Просверленное отверстие с его относительно большим размером служит для увеличения эффективного радиуса вершины трещины и, таким образом, уменьшения концентрации напряжений.^[4]

Другой метод, используемый для уменьшения концентрации напряжения, - 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 стержнем и резьбовыми частями делается небольшой подрез.

Примеры

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

В de Havilland Comet самолет испытали ряд катастрофических отказов, которые, как выяснилось, были вызваны усталость трещины, растущие из-за высокой концентрации напряжений, вызванных использованием отверстий под заклепки вокруг вырезов автоматического радиопеленгатора (иногда называемых окнами). Было также обнаружено, что квадратные пассажирские окна имеют более высокую концентрацию напряжения, чем ожидалось, и были переработаны.
Хрупкие трещины на углах люков в Корабли свободы в холодных и стрессовых условиях в зимние бури в Атлантический океан.

Эта ортез имплантируется для поддержки бедренной кости после перелом, но концентрация напряжения на его изгибе увеличивает вероятность того, что он может сломаться под нагрузкой.

Точка сосредоточения стресса на имплантированный ортез очень вероятно, будет его точкой отказа.

использованная литература

^ «Концентрации напряжений в отверстиях».
^ ^а ^б Schijve, Яап (2001). Усталость конструкций и материалов. Springer. п. 90. ISBN 978-0792370147.
^ Шигли, Джозеф Эдвард (1977). Машиностроительный дизайн (Третье изд.). Макгроу-Хилл.
^ ^а ^б напряжение в пазах с закругленными концами улучшенное решение
^ «Напряжения в эллиптических отверстиях». Получено 2020-03-13.
^ Раджич, Ник; Улица, Нил (2014). «Сравнение характеристик охлаждаемых и неохлаждаемых инфракрасных детекторов для анализа термоупругих напряжений». Журнал количественной инфракрасной термографии. Тейлор и Фрэнсис. 11 (2): 207–221. Дои:10.1080/17686733.2014.962835.
^ ESDU64001: Руководство по данным о концентрации напряжений. ESDU. ISBN 1-86246-279-8.
^ Петерсон, Рудольф Эрл (1953). Расчетные факторы концентрации напряжений. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0471683766.
^ Пилки, Уолтер Д. (1999). Коэффициенты концентрации стресса Петерсона (2-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-53849-3.

внешние ссылки

Когда металл подводит нас

[1] «Концентрации напряжений в отверстиях».

[schijve01-2] а ^б Schijve, Яап (2001). Усталость конструкций и материалов. Springer. п. 90. ISBN 978-0792370147.

[3] Шигли, Джозеф Эдвард (1977). Машиностроительный дизайн (Третье изд.). Макгроу-Хилл.

[efm-4] а ^б напряжение в пазах с закругленными концами улучшенное решение

[5] «Напряжения в эллиптических отверстиях». Получено 2020-03-13.

[6] Раджич, Ник; Улица, Нил (2014). «Сравнение характеристик охлаждаемых и неохлаждаемых инфракрасных детекторов для анализа термоупругих напряжений». Журнал количественной инфракрасной термографии. Тейлор и Фрэнсис. 11 (2): 207–221. Дои:10.1080/17686733.2014.962835.

[7] ESDU64001: Руководство по данным о концентрации напряжений. ESDU. ISBN 1-86246-279-8.

[8] Петерсон, Рудольф Эрл (1953). Расчетные факторы концентрации напряжений. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0471683766.

[9] Пилки, Уолтер Д. (1999). Коэффициенты концентрации стресса Петерсона (2-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-53849-3.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]