關于應力集中的概念及其避免措施的討論

1、關于應力集中的概念及其避免措施的討論現(xiàn)今社會，由于應力集中造成構件斷裂，產(chǎn)生疲勞，對結構安全危害大。了解應力集中，并找出其避免措施，對人們的生活具有重大的意義。首先，先讓我們了解一下應力與應力集中的概念，應力即受力物體截面上內力的集度，即單位面積上的內力。公式記為。二F/S（其中，。表示應力；AFj表示在j方向的施力；AAi表示在i方向的受力面積）。材料在交變應力作用下產(chǎn)生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應力遠小于其靜載下的強度極限時，破壞可能發(fā)生。另外材料會由于截面尺寸改變而引起應力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應力集中。對于由脆性材料制成的構件，應力集中現(xiàn)象將一直保持到最大局部應力到達強度

2、極限之前。因此，在設計脆性材料構件時，應考慮應力集中的影響。對于由塑性材料制成的構件，應力集中對其在靜載荷作用下的強度則幾乎無影響。所以，在研究塑性材料構件的靜強度問題時，通常不考慮應力集中的影響。承受軸向拉伸、壓縮的構件，只有在寓加力區(qū)域稍遠且橫截面尺寸又無劇烈變化的區(qū)域內，橫截面上的應力才是均勻分布的。然而實際工程構件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺紋等，致使這些部位上的截面尺寸發(fā)生突然變化。如開有圓孔和帶有切口的板條，當其受軸向拉伸時，在圓孔和切口附近的局部區(qū)域內，應力的數(shù)值劇烈增加，而在離開這一區(qū)域稍遠的地方，應力迅速降低而趨于均勻。這時，橫截面上的應力不再均勻分布，這已為理論和

3、實驗證實。02-31HS2-3iLJ葉呻戀工同化時扳年，便菸飛愛躺向拉伸.由試輩蠟果可知；在創(chuàng)孔尉近的局部區(qū)戰(zhàn)恢應力急用M)大，帀崔離幵也嘔填幕遠處，應力1B邃甌h而曲于聞勻(81231b)亠這種由于嚴劃卅f突林改變面引起的應力同邯增大的牝fc揺為應力鑒中ft11ffiffll.扎辿最犬按力孤場崗TEiW上的平和戰(zhàn)力b之比用空%示S-17)稼為理論樓力集屮竄I它尺険了應士鑾4訊稈I缸地一牛JUT吋蔡St而且試臉誹顆毀用：他而尺寸改變宜皿烈”應力繼中竈柱就金大（Sit零杵上應UBMOt陽的孔或柳，險ftH姻幗變處&-IIJM恵疋渡在靜荷載作用下，各種材料對應力集中的敏感程度是不同的。像低碳鋼那樣

4、的塑性材料具有屈服階段，當孔邊附近的最大應力達到屈服極限時，該處材料首先屈服，應力暫時不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應力就由截面上尚未屈服的材料所承擔，是截面上其他點的應力相繼增大到屈服極限，該截面上的應力逐漸趨于平均，如圖2-32所示。因此，用塑性材料制作的零件，在靜載荷作用下可以不考慮應力集中的影響。而對于組織均勻的脆性材料，因材料不存在屈服，當孔邊最大應力的值達到材料的強度極限時，該處首先斷裂。因此用脆性材料制作的零件，應力集中將大大降低構件的強度，其危害是嚴重的。這樣，即使在靜載荷作用下一般也應該考慮應力集中對材料承載能力的影響。然而，對于組織不均勻的脆性材料，如鑄鐵，其內部組織的不

5、均勻性和缺陷，往往是產(chǎn)生應力集中的主要因素，而截面形狀改變引起的應力集中就可能成為次要的了，它對于構件的承載能力不一定會造成明顯的問題。下面，就應力集中造成構件斷裂，產(chǎn)生疲勞，舉幾個實例。1、日本航空123號班機空難事件，發(fā)生于1985年8月12日，班機是波音747-100SR型，飛機編號JA8119。搭載509名乘客及15名機組員，從日本東京的羽田機場，預定飛往大阪伊丹機場。在御巢鷹山區(qū)附近的高天原山（距離東京約100公里）墜毀，520人罹難。此次空難事件也是世界上牽涉到單一架次飛機的空難中，死傷最慘重的。事故原因：日本官方的航空與鐵道事故調查委員會，經(jīng)過調查后，做出三點結論。1.1978年

6、6月2日，該飛機在大阪的伊丹機場曾損傷到機尾；2.機尾受損后，波音公司沒有妥善修補，正常需要二排鉚釘，但維修人員只是將損傷的部分補了一排鉚釘，所以增加了接合點附近金屬蒙皮所承受的剪力，使該處累積了金屬疲勞的現(xiàn)象;3.該處的壓力壁在損壞后，造成四組液壓系統(tǒng)故障（液壓油泄漏），導致機師無法正常操控飛機。2、2004年日本美浜核電站事故。雖然并未導致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還是導致5名工人死亡，數(shù)十人受傷。美浜核電站座落于東京西部大約320公里的福井縣，1976年投入運營，1991年至2003年曾發(fā)生過幾次與核有關的小事故。2004年8月9日，渦輪所在建筑內連接3號反應堆的水管在工人們準備進行例行安全檢查

7、時突然爆裂。雖然并未導致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還是導致5名工人死亡，數(shù)十人受傷。2006年，美浜核電站又發(fā)生火災，導致兩名工人死亡。事故原因主要是蒸汽發(fā)生器內細管的金屬疲勞。3、1998年德國ICE城際列車脫軌事件。1998年6月3日，由慕尼黑開往漢保的德國ICE884次高速列車在運行至距漢諾威東北方向附近的小鎮(zhèn)埃舍德時，發(fā)生了第二次世界大戰(zhàn)后德國最為慘重的列車脫軌行車事故。該列車由兩輛機車和12輛拖車組成，事故發(fā)生后12輛拖車全部脫軌。截止到6月17日，已有100人死亡，88人重傷。6月17日，聯(lián)邦鐵路局局長在德國聽證會上公布了對事故發(fā)生過程的初步調查結果：在列車運行距公路跨線橋約6公里時，第一

8、節(jié)拖車的3輪對的輪箍發(fā)生破裂，列車繼續(xù)以200公里/小時的速度運行，輪箍斷裂并擁塞在高速動輪的輪對中，劇烈的摩擦發(fā)出刺耳的轟隆聲，在距公路橋約300公里處，已斷裂的輪箍勾住了埃舍德車站的一組道岔，使拖車挑起、脫軌并與機車脫鉤，脫軌的車輪則落在相鄰的線路上，列車繼續(xù)運行120米后，脫軌的車輪被鄰線的另一組道岔改變了方向，突然猛烈地甩向右側，第3節(jié)拖車尾部與橋墩猛烈沖撞，使跨線橋部分坍塌墜落。馳過跨線橋的頭部機車經(jīng)緊急制動后運行約2公里停車，沒有脫軌；與頭車分離的第1-3節(jié)拖車脫軌后停在橋后約300米處；第45節(jié)拖車被坍塌的橋梁砸毀，后部第6-12節(jié)拖車以最大的慣性沖撞擠壓在一起，尾部機車幾乎未受

9、損壞。該列車車輪系橡膠彈性車輪，輪箍是軋制的無縫鋼圈，通過熱效應壓在輪心上，輪心是鑄鋼輪體，輪箍與輪心間有一層橡膠體。輪箍軋制時若殘留氣泡或礦碴，在高壓負荷動力作用下，就可能開裂；也可能是由于輪箍材料老化產(chǎn)生“疲勞斷裂”所致。事故發(fā)生后，其余59列ICE型列車中止運營，并進行了全面檢查。44列ICE2列車的運營雖未受事故影響，但最高時速已降低到160公里。以上例子都足以說明了應力集中引起構件疲勞、斷裂，造成的危害是非常嚴重的，甚至影響著人們的生活安全。是個不容忽視的問題。最后，讓我們討論一下現(xiàn)實中避免應力集中的一些方法。1、包裝結構設計中，應力集中避免與利用為避免應力集中造成構件破壞，可采取消除尖角、改善構件外形、局部加強孔邊以及提高材料表面光潔度等措施；另外還可對材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強度。用ANSYS模擬鋼