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 несплошности при типичных растягивающих нагрузках может быть выражена как коэффициент безразмерной концентрации напряжений. , которое 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]
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 так, 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 ,, - отношение наибольшего напряжения до номинального напряжения полного поперечного сечения и определяется как [3]
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 длиной и ширина , при номинальном напряжении или напряжении в дальнем поле , напряжение на концах главных осей определяется уравнением Инглиса: [5]
где - радиус кривизны эллиптического отверстия. Для круглых отверстий в бесконечной пластине, гдекоэффициент концентрации напряжений равен .
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
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 воздействия концентраций стресса
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
- 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 .
- Точка фокусировки напряжения на краях имплантата, где металл встречается с костью, имплантированного ортеза , очень вероятно, станет точкой отказа.
Рекомендации
- ^ «Концентрации напряжений в отверстиях» .
- ^ а б 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». Журнал количественной 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.
- ^ Пилки, Уолтер Д. (1999). Факторы концентрации стресса Петерсона (2-е изд.). Вайли. ISBN 0-471-53849-3.
Внешние ссылки
- Когда металл подводит нас