關(guān)于應(yīng)力集中的概念及其避免措施的討論

1、關(guān)于應(yīng)力集中的概念及其避免措施的討論現(xiàn)今社會(huì)，由于應(yīng)力集中造成構(gòu)件斷裂，產(chǎn)生疲勞，對(duì)結(jié)構(gòu)安全危害大。了解應(yīng)力集中，并找出其避免措施，對(duì)人們的生活具有重大的意義。首先，先讓我們了解一下應(yīng)力與應(yīng)力集中的概念，應(yīng)力即受力物體截面上內(nèi)力的集度，即單位面積上的內(nèi)力。公式記為。二F/S（其中，。表示應(yīng)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(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強(qiáng)度極限時(shí)，破壞可能發(fā)生。另外材料會(huì)由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。對(duì)于由脆性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中現(xiàn)象將一直保持到最大局部應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度

2、極限之前。因此，在設(shè)計(jì)脆性材料構(gòu)件時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。對(duì)于由塑性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中對(duì)其在靜載荷作用下的強(qiáng)度則幾乎無(wú)影響。所以，在研究塑性材料構(gòu)件的靜強(qiáng)度問(wèn)題時(shí)，通常不考慮應(yīng)力集中的影響。承受軸向拉伸、壓縮的構(gòu)件，只有在寓加力區(qū)域稍遠(yuǎn)且橫截面尺寸又無(wú)劇烈變化的區(qū)域內(nèi)，橫截面上的應(yīng)力才是均勻分布的。然而實(shí)際工程構(gòu)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(dāng)其受軸向拉伸時(shí)，在圓孔和切口附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力的數(shù)值劇烈增加，而在離開這一區(qū)域稍遠(yuǎn)的地方，應(yīng)力迅速降低而趨于均勻。這時(shí)，橫截面上的應(yīng)力不再均勻分布，這已為理論和

3、實(shí)驗(yàn)證實(shí)。02-31HS2-3iLJ葉呻戀工同化時(shí)扳年，便菸飛愛(ài)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(yīng)力急用M)大，帀崔離幵也嘔填幕遠(yuǎn)處，應(yīng)力1B邃甌h而曲于聞勻(81231b)亠這種由于嚴(yán)劃卅f突林改變面引起的應(yīng)力同邯增大的牝fc揺為應(yīng)力鑒中ft11ffiffll.扎辿最犬按力孤場(chǎng)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(yīng)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(yīng)力繼中竈柱就金大（Sit零杵上應(yīng)UBMOt陽(yáng)的孔或柳，險(xiǎn)ftH姻幗變處&-IIJM恵疋渡在靜荷載作用下，各種材料對(duì)應(yīng)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(dāng)孔邊附近的最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，該處材料首先屈服，應(yīng)力暫時(shí)不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應(yīng)力就由截面上尚未屈服的材料所承擔(dān)，是截面上其他點(diǎn)的應(yīng)力相繼增大到屈服極限，該截面上的應(yīng)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(yīng)力集中的影響。而對(duì)于組織均勻的脆性材料，因材料不存在屈服，當(dāng)孔邊最大應(yīng)力的值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，該處首先斷裂。因此用脆性材料制作的零件，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，其危害是嚴(yán)重的。這樣，即使在靜載荷作用下一般也應(yīng)該考慮應(yīng)力集中對(duì)材料承載能力的影響。然而，對(duì)于組織不均勻的脆性材料，如鑄鐵，其內(nèi)部組織的不

5、均勻性和缺陷，往往是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要因素，而截面形狀改變引起的應(yīng)力集中就可能成為次要的了，它對(duì)于構(gòu)件的承載能力不一定會(huì)造成明顯的問(wèn)題。下面，就應(yīng)力集中造成構(gòu)件斷裂，產(chǎn)生疲勞，舉幾個(gè)實(shí)例。1、日本航空123號(hào)班機(jī)空難事件，發(fā)生于1985年8月12日，班機(jī)是波音747-100SR型，飛機(jī)編號(hào)JA8119。搭載509名乘客及15名機(jī)組員，從日本東京的羽田機(jī)場(chǎng)，預(yù)定飛往大阪伊丹機(jī)場(chǎng)。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(jī)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(diào)查委員會(huì)，經(jīng)過(guò)調(diào)查后，做出三點(diǎn)結(jié)論。1.1978年

6、6月2日，該飛機(jī)在大阪的伊丹機(jī)場(chǎng)曾損傷到機(jī)尾；2.機(jī)尾受損后，波音公司沒(méi)有妥善修補(bǔ)，正常需要二排鉚釘，但維修人員只是將損傷的部分補(bǔ)了一排鉚釘，所以增加了接合點(diǎn)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(dǎo)致機(jī)師無(wú)法正常操控飛機(jī)。2、2004年日本美浜核電站事故。雖然并未導(dǎo)致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還是導(dǎo)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(yùn)營(yíng)，1991年至2003年曾發(fā)生過(guò)幾次與核有關(guān)的小事故。2004年8月9日，渦輪所在建筑內(nèi)連接3號(hào)反應(yīng)堆的水管在工人們準(zhǔn)備進(jìn)行例行安全檢查

7、時(shí)突然爆裂。雖然并未導(dǎo)致核泄漏，但蒸汽爆發(fā)還是導(dǎo)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(zāi)，導(dǎo)致兩名工人死亡。事故原因主要是蒸汽發(fā)生器內(nèi)細(xì)管的金屬疲勞。3、1998年德國(guó)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(guó)ICE884次高速列車在運(yùn)行至距漢諾威東北方向附近的小鎮(zhèn)埃舍德時(shí)，發(fā)生了第二次世界大戰(zhàn)后德國(guó)最為慘重的列車脫軌行車事故。該列車由兩輛機(jī)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(zhǎng)在德國(guó)聽(tīng)證會(huì)上公布了對(duì)事故發(fā)生過(guò)程的初步調(diào)查結(jié)果：在列車運(yùn)行距公路跨線橋約6公里時(shí)，第一

8、節(jié)拖車的3輪對(duì)的輪箍發(fā)生破裂，列車?yán)^續(xù)以200公里/小時(shí)的速度運(yùn)行，輪箍斷裂并擁塞在高速動(dòng)輪的輪對(duì)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(jī)車脫鉤，脫軌的車輪則落在相鄰的線路上，列車?yán)^續(xù)運(yùn)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(cè)，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(guò)跨線橋的頭部機(jī)車經(jīng)緊急制動(dòng)后運(yùn)行約2公里停車，沒(méi)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(jī)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(wú)縫鋼圈，通過(guò)熱效應(yīng)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(shí)若殘留氣泡或礦碴，在高壓負(fù)荷動(dòng)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(yùn)營(yíng)，并進(jìn)行了全面檢查。44列ICE2列車的運(yùn)營(yíng)雖未受事故影響，但最高時(shí)速已降低到160公里。以上例子都足以說(shuō)明了應(yīng)力集中引起構(gòu)件疲勞、斷裂，造成的危害是非常嚴(yán)重的，甚至影響著人們的生活安全。是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。最后，讓我們討論一下現(xiàn)實(shí)中避免應(yīng)力集中的一些方法。1、包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)力集中避免與利用為避免應(yīng)力集中造成構(gòu)件破壞，可采取消除尖角、改善構(gòu)件外形、局部加強(qiáng)孔邊以及提高材料表面光潔度等措施；另外還可對(duì)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(qiáng)度。用ANSYS模擬鋼