應力集中：構件薄弱環節的隱患

應力集中是一種局部應力顯著升高的現象，通常發生在幾何突變處（如開孔、槽口、台階）。這些不連斷性會導致應力場局部加強，產生遠大於平均應力的集中應力。

影響應力集中的因素包括結構形狀、缺陷、載荷類型和材料性質。缺陷（如氣孔、裂紋）可加劇應力集中，而圓孔的應力集中程度最低。靜態載荷下，應力集中處的應力可超過材料的彈性極限，導致塑性變形和應力重新分配。

應力集中會導致局部損傷，降低構件的強度和壽命。尖鋭的過渡曲線和缺口會產生更嚴重的應力集中，增加裂紋萌生和疲勞失效的風險。重複應力集中效應將進一步加劇應力集中，導致局部破壞。

避免應力集中的基本措施包括：優化過渡曲線形狀，避免尖鋭缺口，採用合適的材料和製作工藝。瞭解應力集中機理有助於優化設計，提高構件的抗損傷能力，延長其使用壽命。

常見構件形狀的應力集中係數：

• 板條圓孔：
  • 距孔邊 1.5 倍孔口尺寸範圍內：應力集中程度最高
  • 距孔邊 4 倍孔徑外：應力集中影響甚微
• 扭轉結構：
  • 扭轉應力集中係數 K：取決於截面形狀和加載方式
• 梁結構：
  • 應力集中係數 K：取決於截面慣性矩、合內力偶矩和中性軸距離
• 橢圓孔：
  • 均勻應力垂直於長軸：應力集中係數 Kt = 1 + 2a/b（a 為半長軸，b 為半短軸）

應力集中的關鍵影響因素：

• 幾何形狀：過渡曲線曲率半徑、缺口尖鋭度
• 載荷類型：靜態、動態、交變載荷
• 材料性質：彈性模量、屈服強度、韌性
• 缺陷：氣孔、裂紋、夾雜物

應力集中：局部結構失效的關鍵

應力集中是指由於材料中的幾何形狀變化或材料不連續性，導致局部區域承載應力顯著增加。應力集中會對結構的強度和壽命產生負面影響，因為它會使材料在較低應力水平下失效。

應力集中的類型和影響

應力集中類型：

影響：

• 強度降低：應力集中處的應力水平高於材料的屈服強度，導致結構過早失效。
• 疲勞壽命降低：應力集中處的交變應力導致疲勞裂紋萌生和傳播。

應力集中的計算

應力集中的計算需要使用應力分析技術，例如：

• 有限元素分析 (FEA)
• 光彈性法
• 實驗應力分析

應力集中的減緩

為了減緩應力集中，可以採取以下措施：

• 設計修改：避免或減少材料幾何形狀中的不連續性和應力集中區域。
• 過渡緩衝：使用過渡曲面或圓角來平滑應力變化。
• 孔洞加固：在孔洞周圍添加強化材料或使用補強環。
• 殘餘應力：通過機械加工或熱處理來導入殘餘應力，以抵消應力集中。

應用範例

應力集中在工程中廣泛存在於：

• 飛機機身
• 橋樑連接處
• 汽車零組件

通過瞭解應力集中的原理、影響和減緩方法，工程師可以設計和製造出更強、更耐用的結構。

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應力集中_百度百科

材料力學筆記之——應力集中與應力奇異