Концентрация напряжений — это явление, при котором локализованное напряжение внезапно возрастает в точках резких изменений формы детали или разрывов материала.
В реальных конструкциях деталей функциональные требования часто приводят к образованию выемок, таких как отверстия, канавки, шпоночные канавки, резьба и выступы, что приводит к внезапным изменениям размеров или формы поперечного-секции детали, тем самым усугубляя концентрацию напряжений в этих выемках. Чем резче изменение размеров поперечного- сечения, тем сильнее концентрация напряжений.
Правильное проектирование конструкций надрезов имеет решающее значение для повышения усталостной прочности деталей. Если позволяет конструкция детали, основной мерой является минимизация изменений размеров поперечного-секции (на Рис. 4.3-41 показана концентрация напряжений пластин или валов с вырезами различной формы под напряжением).
[Изображение]
Концентрация напряжений в деталях вала и меры по снижению
1. Концентрация напряжений в деталях вала:
Валы, подвергающиеся изгибающему моменту и крутящему моменту, будут испытывать концентрацию напряжения изгиба и сдвига в точках локализованных изменений формы и размеров поперечного- сечения (рис. 4.3-42). Величина этих концентраций зависит от формы, размера и типа напряжения надреза.
[Изображение]
2. Коэффициент концентрации напряжений:
Отношение максимального местного напряжения в точке концентрации напряжений к номинальному напряжению называется теоретическим коэффициентом концентрации напряжений.
Считается, что влияние свойств материала и вида нагрузки на концентрацию напряжений характеризует истинное снижение усталостной прочности. При одинаковых материале, условиях нагружения и абсолютных размерах эффективный коэффициент концентрации напряжений равен отношению предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца с концентрацией напряжений, т. е.:
[Изображение] Если на одном расчетном участке имеется несколько разных источников концентрации напряжений, при расчете прочности принимается максимальное значение. Значения коэффициента концентрации напряжений для распространенных форм насечек приведены в таблице ниже (Таблица 4.3-4 Значения коэффициента концентрации изгибающих напряжений и коэффициента концентрации сдвиговых напряжений):
[Изображение] [Изображение] 3. Конструктивные мероприятия по снижению концентрации напряжений в деталях вала:
Плечи: могут использоваться различные формы перехода скруглений (рис. 4.3-43), такие как скругления максимально возможного размера или состоящие из прямых линий (рис. а), скругления, выполненные по эллиптическим кривым (рис. б), скругления, состоящие из нескольких дуг (рис. в, г), вогнутые конструкции скруглений (рис. д, е); добавление или удаление канавок возле скруглений может более эффективно снизить коэффициент концентрации напряжений.
Изображение
**Шпоночная канавка на валу:** Коэффициент концентрации напряжений в шпоночной канавке, обработанной дисковой фрезой, примерно на 20 % ниже, чем у шпоночной канавки, обработанной пальчиковой фрезой (Рисунок 4.3-44, Рисунок a необоснован, Рисунок b является обоснованным).
**Изображение:** Вал-Соединение ступицы с натягом: если вал длиннее ступицы, часть вала снаружи ступицы препятствует сжатию части внутри ступицы, что приводит к неравномерному распределению радиального давления по длине контакта (Рис. 4.3-45), вызывая концентрацию напряжений на валу.
**Изображение:** Для снижения концентрации напряжений можно принять следующие конструктивные меры (Рисунок 4.3-46): Сделайте диаметр вала неподходящей части, как правило, меньшим, чем диаметр подходящего вала (Рисунок a: ступенчатый вал); добавить на прилагаемую деталь разгрузочные канавки (рисунок б); машинные разгрузочные пазы на ограждающей части (рисунок в).
Изображение
Источник контента: Вэнь Банчунь, *Справочник по механическому проектированию*, 6-е издание, Том 1, Раздел 4: Структурное проектирование механических компонентов, Глава 3: Структурное проектирование для удовлетворения требований к работоспособности, 1.3.2 Снижение концентрации напряжений (стр. . 4-24)
Дальнейшее чтение:
Концентрация стресса в технике не является полностью «негативным явлением». Активно используя его принципы, можно достичь конкретных целей в области обработки материалов, проектирования конструкций и функциональных устройств. Его основная логика применения такова: путем проектирования локальных структур (таких как выемки, острые углы и отверстия) напряжение концентрируется в заранее определенной области, тем самым контролируемо направляя деформацию материала, разрушение или достижение функциональности, избегая разрушения конструкции из-за концентрации напряжения в неожиданных местах. Ниже приведены его основные сценарии и принципы применения:
I. Обработка материалов и формовка: достижение «контролируемого разрушения» за счет концентрации напряжений
Во время резки, разделения или формования материала концентрация напряжений может снизить сложность обработки, добиться точной и эффективной обработки материала, избегая сложных процедур традиционной механической обработки.
1. Резка стекла (наиболее типичное применение)
Принцип: Стекло — хрупкий материал, легко растрескивающийся в местах концентрации напряжений под действием внешней силы. Во время резки на поверхности стекла сначала делается крошечная выемка с помощью алмазного резака. Напряжение в надрезе будет резко концентрироваться (чрезвычайно высокий коэффициент концентрации напряжений). Затем вдоль надреза прикладывают небольшое изгибающее усилие. Молекулярные связи в зоне концентрации напряжений разрываются преимущественно, что позволяет стеклу отделиться точно вдоль надреза, что приводит к чистому разрезу без чрезмерной фрагментации.
Сценарии применения: резка экранов мобильных телефонов, архитектурного стекла и оптических линз вместо традиционной резки абразивным кругом (которая легко оставляет заусенцы и повреждает поверхность стекла).
2. Испытание на растяжение с надрезом и подготовка образцов для металлических материалов.
Принцип: При испытании механических свойств металлических материалов (таких как вязкость разрушения и усталостная прочность) необходимо подготовить образцы со стандартными надрезами (например, V-надрезами или U-надрезами). Концентрация напряжений в надрезе имитирует слабые места реальной конструкции, вызывая разрушение образца преимущественно в надрезе под действием растяжения или усталостной нагрузки. Это позволяет точно измерить сопротивление разрушению материала при концентрации напряжений, обеспечивая поддержку данных для проектирования конструкций.
Сценарии применения: испытание механических свойств авиакосмических титановых сплавов и высокопрочных сталей-, обеспечивающее безопасность материалов в реальных конструкциях (таких как отверстия под болты и сварные швы).
3. Штамповка и вырубка
Принцип: при штамповке листового металла (например, при изготовлении прокладок, корпусов) или вырубке (разделении заготовок деталей) режущая кромка имеет острые углы или локальные насечки для концентрации напряжения в локализованной области, где листовой металл соприкасается с режущей кромкой. Когда напряжение превышает предел текучести материала, листовой металл точно отделяется или деформируется по контуру режущей кромки, сокращая отходы материала и повышая эффективность обработки.
Сценарии применения: Массовое производство штампованных деталей автомобильного кузова и корпусов электронных компонентов.
II. Структурное проектирование: оптимизация «функциональности и безопасности» с использованием концентрации напряжений
При проектировании конструкций путем активного задания зон концентрации напряжений можно добиться «направленной защиты» или «функционального срабатывания», предотвращая разрушение всей конструкции из-за неконтролируемой концентрации напряжений.
1. Защитная конструкция: плавкие заглушки и разрывные мембраны (защита сосудов под давлением).
Принцип: Сосуды под давлением (такие как котлы и газовые баллоны) должны предотвращать взрывы, вызванные чрезмерным внутренним давлением. Плавкие пробки (изготовленные из сплавов с низкой-точкой-плавления) или разрывные мембраны (тонкие металлические листы) предназначены для локализованных слабых мест контейнеров (например, участков с уменьшенной толщиной или участков с пред-трещинами), где коэффициент концентрации напряжений намного выше, чем в других местах. Когда внутреннее давление превышает безопасное значение, напряжение в слабой зоне сначала достигает предела разрушения материала, вызывая плавление плавкой пробки или разрыв разрывной мембраны, сбрасывая давление и защищая контейнер от взрыва.
Сценарии применения: химические реакторы, трубы автомобильных кондиционеров, предохранительные устройства в огнетушителях.
2. Механические соединения: конструкция, предотвращающая-расшатывание болтов и заклепок.
Принцип: переходы основания и головки резьбы болта или заклепки имеют закругленные углы (а не острые углы), но в некоторых сценариях намеренно сохраняется небольшая «особенность концентрации напряжений» (например, дуга небольшого радиуса у основания резьбы). Такая конструкция позволяет зоне концентрации напряжений подвергаться небольшой пластической деформации при воздействии на болт вибрационных нагрузок, тем самым увеличивая трение между резьбами и предотвращая ослабление болта; в то же время заранее-установленная зона концентрации напряжений предотвращает передачу напряжений на середину хвостовика болта (что может легко привести к полному разрушению).
Сценарии применения: болты автомобильных двигателей, соединительные компоненты аэрокосмического оборудования.. 3. Конструкция здания: проектирование рассеяния энергии сейсмических соединений.
Принцип. В зданиях,-подверженных землетрясениям (например, в каркасных конструкциях), стыки балок-колонн намеренно проектируются как локально слабые места (например, уменьшение поперечных сечений стыков-, установка компенсационных швов). Концентрация напряжений приводит к тому, что соединения преимущественно подвергаются пластической деформации при сейсмических нагрузках, поглощая сейсмическую энергию («рассеивание энергии»), тем самым защищая основные элементы конструкции, такие как балки и колонны, от хрупкого разрушения и улучшая сейсмостойкость здания.
Сценарии применения: сейсмическое проектирование высотных-зданий и мостов.
III. Специальные функциональные устройства: регулирование производительности с помощью концентрации напряжений
В прецизионных устройствах или функциональных материалах концентрация напряжений может использоваться для регулирования физических свойств материала (таких как электрические и оптические свойства) для достижения определенных функций.
1. Датчики: конструкция чувствительного элемента датчиков напряжения
Принцип. Сердцевиной датчика напряжения (например, тензодатчика или датчика давления) является «чувствительный элемент» (например, металлическая фольга или полупроводниковый материал), поверхность которого имеет сетчатую-структуру или структуру с крошечными насечками. Под воздействием внешнего давления или напряжения концентрация напряжений в надрезе усиливает деформацию материала (или изменение сопротивления), делая датчик более чувствительным к малейшим напряжениям и повышая точность обнаружения.
Сценарии применения: датчики давления в автомобильных шинах, контроль давления в промышленном оборудовании, датчики пульса в медицинской сфере.
2. Микроэлектронные устройства: «растягивающийся дизайн» гибкой электроники.
Принцип: Гибкая электроника (например, схемы в носимых устройствах) должна сохранять функциональность при сгибании и растяжении. Металлические провода в цепи имеют волнистые или микро-точки перегиба. Концентрация напряжений в этих точках рассеивает общее напряжение при растяжении, предотвращая разрыв проволок из-за чрезмерного растяжения. Одновременно локализованная деформация в зоне концентрации напряжений позволяет проводам адаптироваться к деформации гибкой подложки, обеспечивая непрерывность цепи.
Сценарии применения: Проектирование схем умных браслетов и гибких дисплеев.
3. Исследование механики разрушения: «контролируемое управление» распространением трещин.
Принцип: в экспериментах по механике разрушения путем предварительного-создания трещин определенной формы (например, проникающих трещин или поверхностных трещин) на поверхности материала концентрация напряжений в вершине трещины (напряжение в вершине трещины теоретически стремится к бесконечности) используется для изучения закона распространения трещины. Это исследование обеспечивает теоретическую основу для «прогнозирования срока службы конструкций» в аэрокосмической, ядерной энергетике и других областях (например, прогнозирование скорости распространения трещин в крыльях самолетов во избежание внезапных переломов).
IV. Основные принципы применения: «Управляемость» и «Избежание негативных последствий».
Хотя концентрация напряжений имеет множество применений, все они основаны на **"упреждающем проектировании и точном контроле"**, и необходимо избегать "непреднамеренной концентрации напряжений", вызванной неправильным проектированием (например, острые углы в конструкции или неполированные сварные швы, которые могут привести к преждевременному разрушению конструкции). Основные принципы включают в себя:
**Определение областей концентрации напряжений.** Используя такие инструменты, как анализ методом конечных элементов (FEA), можно точно рассчитать коэффициент концентрации напряжений, чтобы гарантировать, что концентрация напряжений возникает только в заранее определенных местах;
**Соответствие свойств материала.** Хрупкие материалы (например, стекло и керамика) подходят для использования концентрации напряжений для достижения разрушения (например, резка), а пластичные материалы (например, металлы) подходят для использования концентрации напряжений для достижения пластической деформации (например, сейсмические соединения);
Избегание чрезмерной концентрации: даже в заранее определенных областях концентрации напряжений градиент напряжений необходимо «смягчить», используя такие методы, как закругленные углы и переходные конструкции, чтобы предотвратить преждевременный выход материала из строя в нормальных условиях эксплуатации.
Подводя итог, можно сказать, что суть применения концентрации напряжения заключается в том, чтобы «превратить невзгоды в преимущество»-за счет точного структурного проектирования, стресс направляется в контролируемую область, достигая одновременно технологических целей, безопасности и функциональных целей, обеспечивая при этом общую надежность конструкции. Это одна из незаменимых основных идей современного инженерного дизайна.
В повседневной жизни концентрация стресса — очень распространенное явление, как «естественное явление», вызванное структурным дизайном, так и в сценариях, где люди активно используют его принципы для решения проблем. Эти примеры по существу включают в себя локальные структурные элементы (такие как выемки, острые углы и отверстия), изменяющие распределение напряжения, вызывая концентрацию напряжения в определенных областях, что приводит к деформации, разрушению или определенным функциональным возможностям. Следующий анализ, разделенный на три типа: -"Использование предметов повседневного использования", "Явления в сценариях повседневной жизни" и "Сценарии активного использования"- использует конкретные тематические исследования:
I. Предметы повседневного быта: концентрация стресса из-за структурного проектирования (легко упустить из виду)
В этих примерах локальная структура изделия (например, выемки, отверстия и острые углы) является «источником» концентрации напряжений, часто вызывая износ и поломки в определенных областях. Это также может быть намеренно разработано разработчиком для достижения определенной функции.
1. Пластиковые бутылки/банки: конструкция, позволяющая легко--открывать" горлышко бутылки и выдвижной-язычок.
Точки концентрации напряжения
: «Отрывная полоска», соединяющая крышку и корпус пластиковой бутылки (с небольшой насечкой); область под язычком банки (небольшая предварительно-сжатая канавка).
Изображение
Принцип: выемка на отрывной полоске концентрирует напряжение в выемке.-Когда мы тянем отрывную полоску, нам не нужно прилагать слишком много усилий; пластик в выемке сломается из-за напряжения, превышающего его предел прочности, и крышка бутылки легко откроется. Тот же принцип применим и к канавке под язычком банки; когда язычок нажимается, напряжение концентрируется в канавке, в результате чего алюминиевый лист «ломается», что облегчает его открытие.
Жизненный опыт: Если на отрывной полоске нет выемки (или выемка изношена), открыть пластиковую бутылку становится очень сложно, поскольку ей не хватает «помощи» концентрации напряжения.
2. Бумажные/пластиковые пакеты: «легкость-разрываемости» краевых надрезов.
Точки концентрации напряжения: «зубчатая выемка» на ручке полиэтиленового пакета из супермаркета, «линии разрыва» (ряд маленьких отверстий) на краю тетрадной бумаги.
Изображение
Принцип: бумажные или пластиковые пакеты — это гибкие материалы, но выемки/отверстия по их краям меняют распределение напряжения.-Когда мы тянем за выемку, напряжение концентрируется на кончике выемки (или в слабой области между отверстиями), вызывая разрыв материала по заданному пути, избегая "кривого" разрыва.
Контрпример
Если на пластиковом пакете нет зазубрин, то тянуть непосредственно за ручку будет распределять нагрузку по всей площади ручки, делая ее более склонной к разрыву ручки в целом (вместо того, чтобы полностью сломать ее по краю).
3. Одежда/ткань: «Проблемы быстрого износа» петель и швов.
Точки концентрации напряжения
Петли в одежде (с перфорированными краями) и места соединения швов и ткани («локальные точки сосредоточения», образуемые швами).
Изображение
Принцип
Петли — это «дыры» в ткани. При надевании или снятии пуговиц давление пуговицы на край отверстия концентрирует напряжение вокруг отверстия; в швах из-за трения и натяжения между нитью и тканью напряжения концентрируются возле отверстия иглы, через которое проходит нить. Со временем эти участки изнашиваются (например, появляются увеличенные петли для пуговиц, скатывания или дырки в ткани на швах).
Средства правовой защиты
На многих предметах одежды вокруг петель вшита «подкладка», существенно увеличивающая локальную толщину, снижающая коэффициент концентрации напряжений и минимизирующая износ.
4. Чехлы для телефонов/оправы для очков: «Легко трескаются по углам и отверстиям».
Точки концентрации напряжения
Четыре прямых угла (острых угла) чехлов для телефонов и маленькие отверстия для винтов, соединяющие заушники и линзы оправ для очков.
Изображение
Принцип
При падении корпуса телефона его углы (острые углы) первыми ударяются о землю. В этих точках при ударе концентрируется напряжение.-Пластиковые или силиконовые чехлы для телефонов склонны к растрескиванию в острых углах из-за напряжения, превышающего их прочность. Отверстия для винтов в оправе для очков представляют собой «дырчатую структуру», а открытие и закрытие дужек концентрируют напряжение вокруг отверстий. Со временем металл/пластик возле этих отверстий склонен к деформации и поломке.
Дизайнерское решение
Во многих корпусах телефонов прямые углы теперь заменяются закругленными, увеличивая радиус кривизны, чтобы уменьшить коэффициент концентрации напряжений на острых углах и уменьшить вероятность растрескивания.
II. Повседневные сценарии: естественные явления концентрации стресса
В этих случаях концентрация напряжений формируется «естественным путем», обычно связанная с формой объекта и способом приложения внешних сил. Это обычное явление в повседневных сценариях «перелома и деформации».
Изображение 1. Деревья. Стволы деревьев склонны к поломкам в развилках и шрамам.
Точки концентрации напряжения:
Места соединения ствола и ветвей (чем меньше угол развилки, тем более выражена концентрация напряжений) и рубцы на стволе (например, порезы или норы насекомых).
Принцип: когда ствол дерева подвергается ветровой нагрузке, «острая угловая структура» на развилках вызывает концентрацию напряжений-чем меньше угол развилки (например, острая развилка), тем выше коэффициент концентрации напряжений, что облегчает разрушение развилки при сильном ветре; шрамы — это «локальные слабые места» (эквивалентные разрывам) на стволе, где напряжение концентрируется на краях, что делает ствол более склонным к растрескиванию и поломке.
2. Стекло/Плитка: «Легко разбивается» после царапин.
Концентрация стресса
Средняя точка
: Крошечные царапины на стеклянных поверхностях (например, царапины на экране телефона от ключа) и сколы на краях плитки.
Изображение
Принцип
: Стекло и плитка являются хрупкими материалами. Царапины на их поверхности эквивалентны «крошечным сколам», где напряжение резко концентрируется на кончике (теоретически напряжение на кончике стремится к бесконечности). Даже небольшая внешняя сила (например, случайное ударение экрана телефона о стол) может привести к тому, что напряжение превысит предел разрушения стекла, что приведет к растрескиванию царапины или даже к разрушению всего стекла.
Жизненный совет
: установка защитной пленки из закаленного стекла на телефон не только предотвращает появление царапин, но и снижает концентрацию напряжения на царапинах за счет амортизации пленки, снижая вероятность поломки.
3. Палочки для еды/ложки: «легко ломается соединение» между ручкой и головкой.
Точки концентрации напряжения
: «узкий участок» деревянных палочек (переходный участок между ручкой и головкой, где диаметр уменьшается) и «острый угол», где соединяются ручка и головка пластиковой ложки.
Изображение
Принцип: когда палочками для еды пользуются, внешняя сила в основном действует на кончик. В «поясной» части из-за ее меньшего диаметра (что эквивалентно «локальному поперечному сжатию») концентрируется напряжение. Со временем этот узкий участок может сломаться из-за усталостного напряжения (повторяющегося напряжения). Тот же принцип применим и к заостренным углам пластиковых ложек; Во время перемешивания в этих углах концентрируется напряжение, что делает их склонными к поломке в месте соединения.
III. Проактивное использование: «Превращение вреда в пользу» Применение концентрации стресса в повседневной жизни
Эти примеры демонстрируют, как люди активно используют принцип концентрации стресса для решения повседневных проблем. Суть соответствует инженерной логике применения (контролируемая поломка, простота эксплуатации).
1. Клейкие заметки/лента: «Легкие-отрывные линии» на краю.
Принцип применения: верхняя часть стикеров и боковые стороны ленты имеют зубчатые линии, которые легко-отдираются" (ряд крошечных насечек). Используя концентрацию напряжения в этих надрезах,-когда мы тянем по легким-линиям отрыва, напряжение концентрируется на кончике надреза, позволяя стикеру/ленте аккуратно порваться по заданному пути без необходимости использования ножниц.
Сравнение
1. Если у ленты нет легкого-линии отрыва, потягивание ее напрямую приведет к рассеиванию напряжения, что приведет к неравномерному разрыву или даже к невозможности разрыва.
2. Упаковка пищевых продуктов: «Оторвите-отверстия» (например, пакеты с закусками, коробки из-под молока).
Принцип применения: «Отрывное-открытие» пакетов с закусками (с небольшой выступающей пластиковой полоской и выемкой внизу) и «треугольное отверстие» картонных коробок с молоком (предварительно-прессованные складки + крошечные выемки) создают концентрацию напряжения через выемки-при вытягивании пластиковой полоски напряжение концентрируется в выемке, и пластиковая пленка легко рвется; складка коробки с молоком действует как «локальное слабое место», где концентрируется давление, в результате чего картон в складке ломается, что облегчает наливание молока.
Изображение 3. Кусачки/ножницы для ногтей: «острый угол» лезвия
Принцип применения: лезвие кусачек для ногтей представляет собой «конструкцию с острым углом», а лезвие ножниц также представляет собой «клиновидный-угол»-. При резке ногтей или бумаги этот угол концентрирует напряжение в точке контакта между лезвием и предметом. При меньшем усилии местное напряжение на гвозде/бумаге может превысить предел разрушения, обеспечивая функцию «резки».
Суть: острое лезвие представляет собой, по сути, «крошечную насечку», уменьшающую внешнюю силу, необходимую для резки, за счет концентрации напряжения, что делает работу инструмента более легкой.
Сводка изображения: основные характеристики концентрации стресса в повседневной жизни
Эти примеры показывают, что концентрация стресса в повседневной жизни — это, по сути, «неравномерное распределение стресса, вызванное локальными структурными изменениями», имеющее как положительные, так и отрицательные последствия:
«Отрицательная» сторона:
Это может привести к износу и поломке определенных участков предметов (например, треснувшего корпуса телефона, потертых петель на одежде). Оптимизация конструкции (например, закругление углов, добавление облицовки) необходима для уменьшения этих негативных последствий.
«Положительная» сторона:
Его можно активно использовать для достижения «простоты в эксплуатации и открытии» (например, отрывные-края, легкие-раздираемые швы), что делает ежедневное использование более удобным.
Понимание этих примеров также может помочь нам лучше использовать предметы,-например, избегая прямого воздействия острых углов на землю корпусом телефона (уменьшая растрескивание, вызванное концентрацией напряжения) и разрывая пластиковые пакеты по перфорациям (проще и аккуратнее).
