应力集中

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应力集中发生在承受拉力、剪切力或扭转力的有切口或有凹口的物体上。它由两个机制组成: 从局部应力集中(应力增加)-由形状数αk{\\displaystyle{\\mathcal{}}\\alpha_{k}}描述。 从支撑效应来看——材料和混凝土的应力集中衰减行为抵消了应力峰值,从而减少了损伤效应(根据DIN743用支撑数表示:n. 应力集中数定义为形式数与支撑数的商:βk=αkn 应力集中通常是不受...

应力集中

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应力集中发生在承受拉力、剪切力扭转力的有切口或有凹口的物体上。 它由两个机制组成:

  • 从局部应力集中(应力增加)- 由形状数 α k {\displaystyle {\mathcal {}}\alpha _{k}} 描述。
  • 从支撑效应来看——材料混凝土的应力集中衰减行为抵消了应力峰值,从而减少了损伤效应(根据 DIN 743 用支撑数表示: n .

应力集中数定义为形式数与支撑数的商: β k = α k n

技术意义

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应力集中通常是不受欢迎的,因为它在技术应用中对组件施加了更大的压力,因此它们必须建造得更大才能达到预期的使用寿命,否则它们会过早失效。 另一方面,应力集中是有目的地使用的。

目标应用

  • 泄压缺口:一个额外的槽口可以引导功率流过压力很大的区域。  红色箭头显示功率流。出于设计原因需要尖锐的肩部,这与高缺口应力相关。 该组件承受交变载荷,并将在此肩部(红色圆圈)处断裂,因为这是薄弱点。 一个大半径的附加槽口将功率流轻轻地重新定向到较小、较低的横截面。 这样,构件中的xxx应力降低,承载能力不降反增。 浮雕槽口也可能无意中出现,例如在切割玻璃时。
  • 槽口作为预定的断点放置,以确保在超载情况下仅在特定点发生不可避免的破损。 在设计时,注意确保断点易于到达,损坏的组件可以低成本更换,避免进一步损坏的风险。
  • 划线玻璃、陶瓷和其他脆性材料,使其沿着切口断裂。 业余爱好者试图通过重复该过程来改善划线效果会产生相反的效果。 浮雕缺口出现,材料断裂更难。
  • 包装,例如带有易拉片的食品罐或饮料罐或薄膜包装提供预切槽口以方便打开

应力集中的破坏因素及对策

导致意外故障的槽口可能有多种原因:

  • 许多自然过程都会留下刻痕,例如构件表面生锈。 此类建筑结构被削弱; 随着损坏的进展,裂缝会自发地终止承载能力
  • 应力集团中呈现粗糙的表面。 它通常可以通过平滑或抛光的表面来抵消。
  • 体内的夹杂物,例如灰口铸铁中的空腔或石墨,作为缺口。
  • 加入流程的类型,例如铆接代替胶合,影响接缝处的应力集中。
  • 组件的几何形状会导致缺口效应,例如轴肩或旋转对称(圆形)部件的横截面变化。
  • 由于冷却过程中的几何形状和拉伸应力,焊接过渡具有很强的应力集中。 通过使用高频锤进行加工可以非常有效地减少这种情况。
  • 用划线器在一块金属上划线会产生裂缝,应力集中可能就有。 在飞机制造中,例如,一般禁止使用划线器,用合适的铅笔划线。

机制

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六张图片展示了应力集中是如何创建的:

  • 起始位置:未加载且呈圆柱形的普通圆棒。
  • 如果沿组件轴向两端施加拉力,则杆会在拉力的影响下变长。 同时,它横向收缩到张力方向(红色箭头)(横向收缩)。它在横向方向收缩的程度由泊松比 ν 描述:
  • 一些材料在张力下膨胀。
  • 许多消费材料以体积保持近似恒定的方式收缩(完美的体积恒定对应于 ν {\displaystyle \nu } =0.5)。
  • 如果将套筒焊接到圆杆(背面为黄色rlays)并反过来给他施加压力,情况没有任何本质变化。 在这里,杆也横向收缩。
  • 但是,如果套筒在整个长度上牢固地(实质上)连接到圆杆上,或者——这会产生同样的效果——拉杆被开槽,则会产生额外的应力。 黄色标记的区域不会因纵向拉力而变长,因此它们不会在横向收缩。 另一方面,传递拉力的芯材(灰色背景)想要向内收缩(红色箭头)。 但是,以黄色标记的区域不会下垂,而是会产生向外的横向力,以防止芯材横向收缩。
  • 此处显示了承受拉力的圆棒中的应力分布。 应力在整个横截面上分布相当均匀。
  • 如果你选择一根较粗的拉杆并为其提供一个凹槽,使得剩余横截面的直径 d {\displaystyle d} 与之前的杆相同,那么过渡点处的应力会增加。 在这种情况下,不仅会产生纵向拉应力,而且缺口也会产生横向拉应力。 支撑芯材料被额外加载,现在的多轴应力状态导致局部应力峰值。 因此,带槽口的轴不如无槽口的窄圆棒稳定,尽管它在最窄的横截面中具有更多的材料和相同的直径。

假设,xxx直径为 D {\displaystyle D},最小直径为 d {\displaystyle d},那么与只有直径 d { \displaystyle d}。

凹口增加应力的程度完全取决于凹口的形状。 尖的或深的凹口比圆润的或浅的凹口具有更强的效果。

发生的局部破坏作用取决于材料和负载类型。

  • 材料可能对缺口效应特别敏感; 这尤其适用于脆性材料。 另一方面,坚韧(韧性)材料可以通过塑性变形屈服)降低应力峰值。 此外,层状铸铁等材料由于其特殊的结构对额外的缺口极其不敏感,因为它的结构已经布满了缺口,因此非常脆。
  • 单轴载荷包括静态、脉动拉伸载荷或交变载荷(交变张力和压力)。 多轴加载情况可以结合拉伸/压缩、弯曲或扭转。

应力集中

计算

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DIN-743(第 1-4 部分)中标准化了轴承载能力计算过程中的槽口计算。 考虑到应力集中,两个量与组件的构造相关:形状数 α k 和应力集数 β k 。 形状数定义为应力增加与标称应力之比,应力集数定义为无缺口和缺口样品的偏转应力之比。

形数

与扁平拉伸杆相比,槽口横截面中的应力分布不是线性的。 边缘有电压尖峰,有的比标称电压高很多倍。 为了补偿,横截面中心的实际应力小于标称应力。 形状编号取决于工件的几何形状。 W {\displaystyle W} 是一个几何函数,每个凹口都不同。 即使对于简单的几何图形, W {\displaystyle W} 通常也会假设复杂的关系。 在实践中,形状编号通常不是手工计算的,而是从打印在表格中的图表中读取的。 凹口半径与轴直径的比率绘制在横坐标上,形状编号 α k {\displaystyle \alpha _{k}} 绘制在纵坐标上。 蓝色叠加线表示轴肩处直径过渡处的直径比。 较高的线表示较大直径的过渡。

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词条目录
  1. 应力集中
  2. 技术意义
  3. 目标应用
  4. 应力集中的破坏因素及对策
  5. 机制
  6. 计算
  7. 形数

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