應(yīng)力集中
關(guān)注創(chuàng)建者：薔薇島嶼 創(chuàng)建時間：2016-12-22
應(yīng)力集中的視頻教程
斯姆勒之寧老師講材料力學(xué)系列6------應(yīng)力集中的ANSYS分析
本講座針對結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象，利用ANSYS講解應(yīng)力集中的概念和缺陷造成應(yīng)力集中的分析技巧。
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ANSYS workbench復(fù)現(xiàn)開孔平板應(yīng)力集中現(xiàn)象并進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計
本課程主要包括以下方面： 01 背景介紹 02 相關(guān)資料介紹 03 ABAQUS 有限元方法復(fù)現(xiàn) 04 有限元方法優(yōu)化設(shè)計Workbench 參數(shù)優(yōu)化 05 總結(jié) 購買課程后可下載課件。
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Abaqus從入門到精通-大型有限元程序的理論與工程實例應(yīng)用（64學(xué)時）
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應(yīng)力集中的實例教程
來源：結(jié)構(gòu)工程師之家
hello，今天我們來聊一聊結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計中常見的問題，應(yīng)力集中。大家在日常生活中經(jīng)常購買產(chǎn)品的包裝帶就用到了應(yīng)力集中這個點。包裝袋上的小口、邊緣做成鋸齒狀等。
由于某種用途，在構(gòu)件上需要開孔、溝槽、缺口、臺階等，在這些部位附近，因截面的急劇變化，將產(chǎn)生局部的高應(yīng)力，其應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于由基本公式算得的應(yīng)力值。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，引起應(yīng)力集中的孔、溝槽、缺口、臺階等幾何體稱為應(yīng)力集中因素。
因孔、溝槽、缺口、臺階等附近存在應(yīng)力集中，從而，削弱了構(gòu)件的強度，降低了構(gòu)件的承載能力。應(yīng)力集中處往往是構(gòu)件破壞的起始點，應(yīng)力集中是引起構(gòu)件破壞的主要因素。應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在于各種構(gòu)件中，大部分構(gòu)件的破壞事故是由應(yīng)力集中引起的。因此，為了確保構(gòu)件的安全使用，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，必須科學(xué)地處理構(gòu)件的應(yīng)力集中問題。
1 產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因
構(gòu)件中產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因主要有：
(1) 截面的急劇變化。如：構(gòu)件中的油孔、鍵槽、缺口、臺階等。
(2) 受集中力作用。如：齒輪輪齒之間的接觸點，火車車輪與鋼軌的接觸點等。
(3) 材料本身的不連續(xù)性。如材料中的夾雜、氣孔等。
(4) 構(gòu)件中由于裝配、焊接、冷加工、磨削等而產(chǎn)生的裂紋。
(5) 構(gòu)件在制造或裝配過程中，由于強拉伸、冷加工、熱處理、焊接等而引起的殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力疊加上工作應(yīng)力后，有可能出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。
(6) 構(gòu)件在加工或運輸中的意外碰傷和刮痕。
展開 表2-1列出了不同試樣的應(yīng)力集中系數(shù)。
圖：
為常見典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中曲線，詳細(xì)的數(shù)據(jù)可查閱相關(guān)應(yīng)力集中系數(shù)手冊。
在機(jī)械零件發(fā)生疲勞破壞時，若對一個缺口零件考慮應(yīng)力集中時，則缺口零件的疲勞強度應(yīng)按應(yīng)力集中系數(shù)的倍率降低。但實驗表明這樣處理有些過于保守。因此，工程中一般采用有效應(yīng)力集中 系數(shù)，即
K
f的大小與材料的缺口敏感程度及缺口根部情況有關(guān)。
有時在零件的一種應(yīng)力集中源上又疊加了另一種形式的應(yīng)力集中源，如在缺口上刻有劃痕，此時的應(yīng)力集中程度應(yīng)用復(fù)合理論應(yīng)力集中系數(shù)K
f復(fù)合來表示，即
下載地址：應(yīng)力集中系數(shù)手冊下載
展開 首先統(tǒng)一兩個概念：應(yīng)力和應(yīng)力集中。
所謂應(yīng)力，就是部件在外力作用下發(fā)生變形，部件內(nèi)部由于變形，各部分發(fā)生位置的相對變化，從而引起內(nèi)部產(chǎn)生相互作用力，這個相互作用力，就是內(nèi)力。雖然我們知道，部件不受外力的時候，內(nèi)部各個點之間也有相互吸引和互斥的力，但是這里的內(nèi)力，指的是外力作用下引起的內(nèi)部作用力，是附加內(nèi)力。而應(yīng)力，則是內(nèi)力在截面積上的分布，是內(nèi)力分布程度的度量。同時外力的涵義也可以進(jìn)行延伸，不僅僅是傳統(tǒng)意義上的力，甚至是溫度變化也可能等效于外力作用，所引起的內(nèi)力就稱為熱應(yīng)力。
所謂應(yīng)力集中，就是外力作用產(chǎn)生的內(nèi)力，在部件內(nèi)部分布產(chǎn)生了聚集。本來對于均勻材質(zhì)的部件，應(yīng)力是在截面上均勻分布的（下圖a）。但是如果部件有一個小孔（下圖b），本來均勻分布在截面上的應(yīng)力，聚集在小孔周圍。這種現(xiàn)象叫應(yīng)力集中。距離小孔越近，應(yīng)力集中度越高，，距離小孔越遠(yuǎn)，應(yīng)力集中度越低。這種應(yīng)力的分布不均勻，會造成應(yīng)力集中的部位，較早的觸及材料強度的極限。作為木桶上最短的一塊木板，應(yīng)力集中區(qū)域在外力還不算太大的時候產(chǎn)生破壞。
研究應(yīng)力集中現(xiàn)象，是為了避免應(yīng)力集中，或者是將應(yīng)力集中對部件的破壞效應(yīng)降低到最低。內(nèi)容就是，研究各種因素對應(yīng)力集中的程度，會有什么樣的影響。不過在這之前，要對應(yīng)力集中的程度進(jìn)行一個定義。
應(yīng)力集中的程度
應(yīng)力集中地程度可以用應(yīng)力集中系數(shù)來表示。
現(xiàn)在閉上眼睛，思考應(yīng)力和應(yīng)力集中的定義。應(yīng)力是作為外力的響應(yīng)，從而在部件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力，它的大小跟外力有關(guān)，外力越大，變形越大，產(chǎn)生的應(yīng)力也就越大。而應(yīng)力跟截面積也有關(guān)系，截面積越大，單位面積上的內(nèi)力就越小，應(yīng)力也越小。為了使部件達(dá)到平衡，截面積上的應(yīng)力之和，應(yīng)該等于外力，方向與外力方向相反。
也就是說，在相同的外力下，應(yīng)力的總和是相同的。
展開 3.只有圓孔孔邊的應(yīng)力可以用較為簡單的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行分析，并限定為小孔口問題，若要研究復(fù)雜的應(yīng)力集中問題，目前大都采用有限單元法。
4.由于一般塑性材料存在屈服階段，當(dāng)應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強度時，若繼續(xù)增加載荷，則其應(yīng)力不再增加，應(yīng)變繼續(xù)增大，所受的載荷將由其余未達(dá)到屈服的材料承擔(dān)。直至整個截面各點處的應(yīng)力都趨于屈服強度時，材料才因屈服而喪失承載能力。
5.靜載荷作用下，塑性材料構(gòu)建通常不用考慮應(yīng)力集中影響。對于內(nèi)部組織均勻脆性材料，應(yīng)當(dāng)考慮應(yīng)力集中的影響；對于內(nèi)部組織不均勻脆性材料，如鑄鐵等，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不均勻和缺陷往往是引起應(yīng)力集中的重要因素，而結(jié)構(gòu)外形驟變引起的應(yīng)力集中影響并不明顯，因此可不考慮應(yīng)力集中的影響。動載荷作用下，無論塑性材料還是脆性材料，都應(yīng)考慮應(yīng)力集中影響。
6.應(yīng)力集中對構(gòu)件的疲勞壽命影響很大，因此無論是脆性材料還是塑性材料的疲勞問題，都必須考慮應(yīng)力集中的影響。
展開 在機(jī)械設(shè)計中應(yīng)力集中是指金屬零件中應(yīng)力局部增高的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在零件形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處。應(yīng)力集中能使零件產(chǎn)生疲勞裂紋，也能使脆性材料制成的零件發(fā)生靜載斷裂。在應(yīng)力集中處，應(yīng)力的最大值（峰值應(yīng)力）與零件的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。局部增高的應(yīng)力隨與峰值應(yīng)力點的間距的增加而迅速衰減。
下面我們看一個例子，一塊金屬板，中間有一個圓孔，在受到拉力的情況下，看看圓孔周圍的應(yīng)力分布。根據(jù)彈性力學(xué)的理論計算，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在圓孔邊緣，隨著距峰值點距離的增加，應(yīng)力明顯降低。
1>.利用有限元方法分析圓孔周圍的應(yīng)力分布情況，在完全彈性屬性情況下，應(yīng)力分布如下圖，
為了更直觀地了解圓孔周圍應(yīng)力分布規(guī)律，我們將沿圓孔中心線截面的應(yīng)力提取，繪制如下曲線，0點位金屬塊邊緣，應(yīng)力最高點為圓孔邊緣應(yīng)力最高點。
靠近應(yīng)圓孔邊緣應(yīng)力云圖局部放大
2>實際上技術(shù)材料應(yīng)力達(dá)到屈服強度以后繼續(xù)拉伸的話，就不是彈性階段了，而是進(jìn)入可塑性階段，材料屬性就是非線性的了，下面的計算結(jié)果是根據(jù)材料的特性，做的材料非線性有限元分析結(jié)果。
由應(yīng)力分布曲線可以看出，當(dāng)拉應(yīng)力大于材料屈服強度時，應(yīng)力集中峰點位置材料發(fā)生塑性變形，應(yīng)力集中位置附近的應(yīng)力重新分配，發(fā)生塑性變形區(qū)域的應(yīng)力值趨于相等。
應(yīng)力集中的影響
脆性材料沒有屈服階段,當(dāng)載荷增加時,應(yīng)力集中處的一路領(lǐng)先,首先達(dá)到,該處將首先產(chǎn)生裂紋,應(yīng)力集中的危害嚴(yán)重,即使在靜載下也要考慮,但是鑄鐵其內(nèi)部的不均勻和缺陷往往是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要因素。
對于塑性材料制成的零件件，應(yīng)力集中對其在靜載荷作用下的強度影響較小。所以，在研究塑性材料構(gòu)件的靜強度問題時，通常不考慮應(yīng)力集中的影響。
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應(yīng)力集中的最新內(nèi)容
· 應(yīng)力約束：柔度優(yōu)化不能直接控制應(yīng)力，最優(yōu)剛度設(shè)計可能存在應(yīng)力集中。通常的流程是先進(jìn)行柔度拓?fù)鋬?yōu)化得到概念構(gòu)型，再進(jìn)行尺寸和形狀優(yōu)化來細(xì)化并校核應(yīng)力。
· 工藝約束：需要考慮制造工藝，如壓鑄、鍛造或鈑金沖壓。先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化軟件可以添加拔模方向、對稱性、最小尺寸等制造約束。
四、總結(jié)
基于多工況加權(quán)柔度響應(yīng)的拓?fù)鋬?yōu)化是汽車控制臂輕量化設(shè)計的強大工具。
這種多態(tài)結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)能夠在外部應(yīng)力傳遞時提供能量耗散，避免應(yīng)力集中，從而為樣品B提供了更好的斷裂韌性。
▲ 圖7：樣品A與B的片晶厚度分布
3.2 制備型升溫淋洗分級（P-TREF）：基于結(jié)晶能力的物理分離
為進(jìn)一步分析復(fù)雜聚合物體系中的共結(jié)晶干擾，中心采用了制備型升溫淋洗分級（P-TREF）系統(tǒng)。該過程將樣品A分離為22個級分，樣品B分離為20個級分。
在前期生產(chǎn)中，客戶發(fā)現(xiàn)該連桿在模鍛后進(jìn)入熱處理工序，再經(jīng)過機(jī)加工與抽檢后，存在以下典型問題：
大小頭過渡區(qū)域硬度波動偏大；
桿身與頭部組織一致性較差；
水淬后孔位橢圓趨勢明顯，局部變形超差；
個別批次出現(xiàn)淬硬不足或局部應(yīng)力集中風(fēng)險。
但纖細(xì)的身形并不影響其承重實力，
科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計讓其承重性能遠(yuǎn)超預(yù)期——地軌主體截面呈矩形或梯形，部分款式內(nèi)置“井”字或“米”字加強筋，有效增加截面慣性矩，提升抗彎剛性，將負(fù)載均勻傳遞至地基，避免局部應(yīng)力集中，可輕松承載從幾噸到上百噸的重量，適配輕型設(shè)備裝配到重型電機(jī)、工程機(jī)械安裝等各類工況。
T型槽的精設(shè)計，進(jìn)一步放大了其在車間承重中的實用價值。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，借鑒拓?fù)鋬?yōu)化理念，采用筋板箱體式結(jié)構(gòu)，底部增設(shè)加厚加強筋，合理分配受力點，讓平臺受力均勻，避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞。
棱跌落（12 棱）：各面相交棱邊，應(yīng)力集中最明顯，易導(dǎo)致邊框開裂、屏幕脫膠，是折疊屏手機(jī)、平板的重點測試項。
角跌落（8 角）：四角為最薄弱部位，沖擊能量集中，易造成邊角凹陷、內(nèi)部元器件移位，TWS 耳機(jī)因體積小巧，角跌落為必測項。
傾斜角度：增加 **30°、45°、60°** 斜角跌落，模擬非垂直掉落場景，更貼合實際使用中產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)、翻滾的觸地狀態(tài)。
3.
建議框架高度與底座本體厚度的比值控制在8-12:1，若比值過高，需增加加強筋的數(shù)量和厚度，采用網(wǎng)格狀或交叉式布局，強化框架的抗扭能力；若比值過低，需優(yōu)化框架與底座本體的連接工藝，采用對稱焊接方式，減少焊接內(nèi)應(yīng)力，避免局部應(yīng)力集中引發(fā)的翹曲。
這一轉(zhuǎn)變帶來了兩個根本性改進(jìn)：
原理突破
載荷均勻施加，徹底消除了由夾持引起的局部應(yīng)力集中與試樣提前破壞，能穩(wěn)定實現(xiàn)200%以上的等雙軸應(yīng)變。
等雙軸拉伸試驗曲線與擬合曲線對比圖
操作革新
衍生的“一鍵氣動夾持”設(shè)計，將換樣時間由小時級縮短至分鐘級，并保證了每次測試邊界條件的絕對一致，大幅提升了測試效率與數(shù)據(jù)的可復(fù)現(xiàn)性。
該方法通過均勻氣壓使試樣球面膨脹，能有效避免傳統(tǒng)夾具帶來的應(yīng)力集中和過早破壞，從而將有效應(yīng)變范圍穩(wěn)定提升至200%以上，為您的本構(gòu)模型擬合提供更寬廣、更接近真實工況的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，顯著提升大變形仿真的預(yù)測可靠性。
這一方式在實踐中面臨幾個固有挑戰(zhàn)：
有效應(yīng)變范圍不足
由于應(yīng)力集中，試樣常在夾持邊緣附近發(fā)生撕裂或滑脫。這使得大部分材料的有效測試應(yīng)變難以超過50%，僅少數(shù)柔軟材料可達(dá)100%。這個量級的應(yīng)變數(shù)據(jù)，對于許多設(shè)計工況下應(yīng)變可能超過200%的工程部件而言，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
