Концентрация стресса

Эта статья включает в себя список литературы , связанной литературы или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Февраль 2008 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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 . ^[1] Не следует путать коэффициент концентрации напряжений с коэффициентом интенсивности напряжений , который используется для определения влияния трещины на напряжения в области вокруг вершины трещины. ^[2] ${\ displaystyle K_ {t}}$ ${\ displaystyle K_ {t} = 3}$

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 напряжений. 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 [ править ]

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 циклической нагрузки. Внутри разрушение границ раздела вокруг включений во время нагрузки может привести к статическому разрушению из- за слияния микропустот .

Коэффициент концентрации напряжения [ править ]

Коэффициент концентрации напряжений , представляет собой отношение максимального напряжения к номинальному напряжению всего поперечного сечения и определяется как ^[3] ${\ displaystyle K_ {t}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {\ max}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {nom}}}$

{\ 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. ^[4] Эти факторы можно найти в стандартных 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 дальней зоне напряжение на концах главных осей определяется уравнением Инглиса: ^[5] ${\ displaystyle 2a}$ ${\ displaystyle 2b}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {nom}}}$

{\ 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. ^[2]

Методы определения факторов [ править ]

Существуют экспериментальные методы измерения факторов концентрации напряжений, включая анализ фотоупругих 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, наиболее известным является « Расчетные факторы концентрации напряжений» Петерсона, впервые опубликованный в 1953 году. ^[8]^[9] Методы конечных элементов широко используются в проектировании сегодня.

Ограничение эффектов концентрации стресса [ править ]

Известный как затупление вершины трещины, нелогичный 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. ^[4]

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 [ править ]

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.

Ссылки [ править ]

^ «Концентрации напряжений в отверстиях» .
^ a b Schijve, Яап (2001). Усталость конструкций и материалов . Springer. п. 90. ISBN 978-0792370147.
^ Шигли, Джозеф Эдвард (1977). Машиностроительное проектирование (Третье изд.). Макгроу-Хилл.
^ a b напряжение в пазах с закругленными концами улучшенное решение
^ «Напряжения в эллиптических отверстиях» . Проверено 13 марта 2020 .
^ Раджич, Ник; Улица, Нил (2014). «Сравнение характеристик охлаждаемых и неохлаждаемых инфракрасных детекторов для анализа термоупругих напряжений». Количественный журнал инфракрасной термографии . Тейлор и Фрэнсис. 11 (2): 207–221. DOI : 10.1080 / 17686733.2014.962835 .
^ ESDU64001: Справочник 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.
^ Пилка, Уолтер Д. (1999). Факторы концентрации стресса Петерсона (2-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-53849-3.

Внешние ссылки [ править ]

Когда металл подводит нас

[1] «Концентрации напряжений в отверстиях» .

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

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

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

[5] «Напряжения в эллиптических отверстиях» . Проверено 13 марта 2020 .

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

[7] ESDU64001: Справочник 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] Пилка, Уолтер Д. (1999). Факторы концентрации стресса Петерсона (2-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-53849-3.

[1]