Stresskoncentration

Spänningskoncentration är ett fenomen av förekomsten av ökade lokala spänningar i områden med skarpa förändringar i formen av en elastisk kropp, såväl som i kontaktområdena för delar. Området i rymden där dessa spänningar uppstår kallas spänningskoncentratorn .

Studie av stresskoncentration

Spänningskoncentrationen kännetecknas av en teoretisk stresskoncentrationsfaktor - förhållandet mellan den maximala spänningen i navområdet och den nominella spänningen (beräknat förutsatt att det inte finns något nav): $\sigma$ $\sigma _{n}$

${\displaystyle k={\frac {\sigma }{\sigma _{n))))$

Ett klassiskt exempel på spänningskoncentration är Kirsch-problemet med enhetlig spänning av en bred remsa med ett litet hål i mitten. En analytisk beräkning visar att spänningskoncentrationsfaktorn i detta fall är 3.

Koefficienten kan bestämmas genom analytiska, numeriska metoder (till exempel finita elementmetoden ), experimentellt (med fotoelasticitetsmetoder , spröda beläggningar). I moderna finita elementkomplex ( ANSYS , Nastran , Abaqus , SolidWorks Simulation ) kan studiet av spänningskoncentratorer utföras med hjälp av finita element nätförtjockning eller speciella metoder ( submodellering , skapa superelement från strukturella delar som inte är föremål för spänningskoncentration ) .

Den teoretiska koefficienten beskriver endast påverkan av delens geometri och belastningsmetoden på den teoretiska spänningen, men tar inte hänsyn till själva materialets känslighet för koncentration. Detta värde kanske inte på ett adekvat sätt beskriver minskningen i styrka i närvaro av en koncentrator. I praktiken, vid beräkning av trötthet, introduceras konceptet med en effektiv spänningskoncentrationsfaktor - förhållandet mellan uthållighetsgränserna för en del utan koncentrator och med en koncentrator : $\sigma _{-1}$ ${\displaystyle \sigma _{-1k))$

${\displaystyle K_{\sigma D}={\frac {\sigma _{-1)){\sigma _{-1k))))$

Med hänsyn till olika faktorer som påverkar utmattningshållfastheten, beräknas koefficienten enligt följande:

$K_{\sigma D}={\frac {{\frac {K_{\sigma }}{K_{d\sigma }}}+{\frac {1}{K_{F\sigma }}}- 1}{K_{V}}}$

var

${\displaystyle K_{\sigma ))$ är den effektiva stresskoncentrationsfaktorn, som tar hänsyn till inverkan av makroskopiska koncentratorer;
${\displaystyle K_{d\sigma ))$ - skalfaktor (tar hänsyn till påverkan av delens storlek);
${\displaystyle K_{F\sigma ))$ — Inverkanskoefficient för ytkvalitet.
$K_{V}$ är inverkanskoefficienten för ythärdning.

Inverkan på strukturell styrka

Spänningskoncentrationen kan påverka hållfastheten på olika sätt beroende på belastningens karaktär:

Statisk belastning - påverkan av lokala spänningar på styrkan är liten. Förekomsten av spänningar som avsevärt överskrider sträckgränsen eller till och med draghållfastheten kan leda till lokal fluiditet hos materialet, men förutsättningarna för dess utbredning och spricktillväxt skapas inte. Dessa bestämmelser sammanfattas i en av nyckelprinciperna för mekaniken för en deformerbar solid kropp - principen om Saint-Venant .
Cyklisk belastning - stresskoncentration är en av huvudfaktorerna som leder till en minskning av styrkan. De mest gynnsamma förutsättningarna för spricktillväxt skapas i spänningskoncentrationszoner.

För att bekämpa den negativa effekten av stresskoncentration används följande metoder:

Ändring av design (lossning av snitt, filéer).
Ythärdning av materialet i koncentrationszonen. Värmebehandling används ( härdning med högfrekventa strömmar , nitrering ), tryckbehandling ( räffling med rulle , kulblästring ).
Exakt ytbehandling för att minska spänningskoncentrationen i mikrogrovheter ( slipning , svarvning ).

Stresskoncentration var orsaken till massiva krascher i världens första kommersiella jetflygplan, Comet . Fönstren på detta flygplan var kvadratiska till formen, gynnsamma för spänningskoncentration i hörnen, och nitarna som höll dem installerades för ofta, vilket bidrog till snabb spridning av sprickor.

Exempel på stresskoncentratorer inom teknik

Spår (till exempel gängade )
skarpa hörn
Störningsanslutningar
Nyckelspår
Övergångar mellan sektioner med olika diametrar på axlarna
hål
Svetsar
Ytdefekter

Se även

Anteckningar

Litteratur

Feodosiev V.I. Materialresistens. - M . : Förlag av MSTU im. N. E. Bauman , 1999. - 592 sid. — (Mekanik vid tekniska högskolan).

Länkar

Savin G.N., Savchenko V.I. Physical encyclopedia : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Kvalitetsfaktor - Magneto-optik. - 704 sid. — 100 000 exemplar. — ISBN 5-85270-061-4 .
Stresskoncentration - artikel från Great Soviet Encyclopedia .
Mike Busch. When Metal Lets Us Down // CESSNA PILOTS ASSOCIATION Magazine. — 1999.
EBI - Medicinsk ordlista (länk nere) (länk nere sedan 2014-05-27 [3075 dagar])
Igor Kokcharov. Strukturell integritetsanalys .