【引言】

1952年，英國投入使用人類第一款噴氣民航客機，德·哈維蘭“彗星”型。

這款巡航速度超700km/h，高度達13000米的客機，以其高速和平穩性使英國成為航空界的翹楚。

但僅僅在運營2年之后，飛機就接連發生3起重大空難，而且都是空中機身解體。丘吉爾首相下令，飛機停飛，徹查空難。

調查人員修建了超大型水槽，對飛機進行重復加壓和卸壓，模擬飛機起降過程。不到一個月的重復之后，水槽中的機身蒙皮出開始出現裂痕，順著飛機窗戶的一個角延伸開。

1955年公布的調查結果指出了空難發生的罪魁禍首：飛機的方形窗戶。

此后，飛機的窗戶逐漸圓潤，結構工程師們也結識了自己的一生之敵：應力集中。

【定義】

應力集中指的是結構中某些區域的實際應力大于名義應力的現象。

衡量應力集中的嚴重程度，通常采用應力集中系數k。其定義是某處的實際最大應力除以名義應力，即：

舉例：下圖孔洞處兩側的應力，按照計算公式F/A得到名義應力為120MPa。但邊緣實際應力達到200MPa，此時應力集中系數就是1.67。

正如彗星客機那從窗戶一角延伸開的裂縫一樣，應力集中疊加金屬疲勞，很可能導致局部失效或破壞，因此在設計和材料選擇中需特別關注。

【場景】

產生應力集中的場景很多，比如加工缺陷、材料缺陷以及不同材料的結合等。但最常見的還是結構的幾何突變，即幾何不連續，包括突出其來的拐角、孔洞、缺口和截面變化。

有沒有突然感覺每種結構都好脆弱？畫圖都有種無從下手撂挑子不干的沖動。

冷靜，下節講講怎么應對。

【應對】

應力集中通常只能緩解，不能消除。畢竟，工字鋼不能沒有拐角，板子不能沒有螺釘孔，軸承不能沒有鍵槽，人也不能沒有工作。

緩解應力集中，你可以在截面突變處加個倒角，在不得不開孔的地方盡量減小孔徑，在不得不拐彎的地方盡量拐絲滑一點。

只要應力集中產生的應力值在可接受的范圍內，結構設計就是成功的。至于說應力值為多大才算可接受，行有行規，各行各業通常會有對應材料的“許用應力”。

對常用的塑性材料結構鋼和鋁合金，通常以其屈服極限除以1.5~2.5的安全系數作為許用應力。

對脆性材料鑄鐵和高強度鋼，通常以其強度極限除以2~5的安全系數作為許用應力。

為了讓你在設計時心里有底，機械設計領域有一本流傳已久的武林秘籍，《實用應力集中手冊》。手冊用曲線告訴你各種設計對應的應力集中系數，豐富且實用。

1984年出版，至今依然有不少受眾。機械行業越老越吃香，誠不欺我。

但現在畢竟2024年了，無論是精度還是可操作性，查手冊這種古老的方式逐漸跟不上時代。

比如你想通過查表，看看這個風扇葉片的應力集中及應力分布情況。

難辦，老師傅看見都搖頭。

在當今工程界，CAD已經取代了鉛筆和圖紙。CAE也正在取代泛黃的手冊，更主流更準確且更具操作性的方式是計算機有限元仿真。

比如我司開發的智能結構仿真軟件AIFEM ，在算準算快的基礎上，就主打一個好上手。讓初級結構工程師用完之后都忍不住感嘆：仿真分析就這？我之前尋思多高大上呢。

下面小試牛刀，舉兩個例子。

先來簡單的。一個存在突然變徑的金屬棒，在拉力作用下，AIFEM仿真計算得到其最大應力為343.4MPa，而且最大值正是在變徑處，即存在應力集中。

如何處理呢？如前所述，讓變化來得別那么突然，絲滑~一點，嘗試給變徑加個倒角。

再次仿真計算，其最大應力值就降低到了293.2MPa。雖然應力集中無法徹底消除，最大值依然在變徑處，但程度明顯減輕。

再來個稍微復雜一丟丟的，讓老師傅搖頭的風扇。

假定風扇葉片材料是Q235鋼，通過在AIFEM中施加旋轉慣性力，讓其以每分鐘3000轉的速度旋轉。仿真得到其最大應力為278.4MPa，出現在葉片根部。

由于最大應力已超過鋼的屈服應力235MPa，必然不滿足要求。那么此時風扇就要改進結構，比如在葉片根部增加倒角?；蚋鼡Q材料，比如換用高強度鋼。當然，還可以降速運行，減小載荷。

【結語】

應力集中是工程領域的重要概念，正確認識、理解及緩解應力集中，是廣大結構工程師的必修課。

有限元仿真現已逐漸成為結構分析主流且實用的手段，幫助工程師評估結構強度，發現薄弱點。

AIFEM易上手計算快，是廣受結構工程師心疼的好工具?？靵?strong>南京天洑軟件下載，作為見面禮，默認送你30天免費試用。

若好用你留著，不好用刪了便是，無需愧疚。