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.应力集中的应用与避免姓名张帅学号201203110207年级2012专业机械设计制造及其自动化系(院)机械工程学院指导教师徐淑琼应力集中的应用与避免摘要应力集中是受力零件或构件在形状、尺寸急剧变化的局部出现应力显著增大的现象。应力集中会引起脆性材料断裂;使物体产生疲劳裂纹,应力的最大值(峰值应力)与物体的几何形状和加载方式等因素有关。通过电测法、光弹性法、有限元法以及边界元法等实验手段测出物体的应力集中。在日常生产生活中,可以通过相应实验及计算实现应力集中的利用与避免。关键字:应力集中应力集中系数应力集中应用应力集中避免引言应力集中现象可以说是在日常生活中无处不见,有些工程需要消除集中应力,有些则需要增大集中应力。应力集中是如何产生的?了解应力的产生是工程制造加工及生产生活中的重要部分。通过相关设计,可以为生活提供许多方便,减少一些不必要的麻烦,还可以减少和避免很多不必要的伤害。材料的不均匀及裂纹的存在,都可能导致应力集中。小到零件制造(如齿轮加工)大到工程建设(如奥运会鸟巢建设)都要进行应力试验及计算。如传动轴轴肩圆角、键槽、油孔和紧配合等部位,受力后均产生应力集中。这些部位的峰值应力从集中点到邻近区的分布有明显的下降,呈现很高的应力梯度。零件的早期失效常发生在应力集中的部位,因此了解和掌握应力集中问题,对于机械零件的合理设计和减少机械的早期失效有重要意义。一、应力集中的概念及产生原因应力即受力物体截面上内力的集度,即单位面积上的内力。公式记为σ=F/S(其中,σ表示应力;ΔFj表示在j方向的施力;ΔAi表示在i方向的受力面积)。材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时,破坏可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大,这种现象称为应力集中(如右图)。对于由脆性材料制成的构件,应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此,在设计脆性材料构件时,应考虑应力集中的影响。对于由塑性材料制成的构件,应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以,在研究塑性材料构件的静强度问题时,通常不考虑应力集中的影响。承受轴向拉伸、压缩的构件,只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内,横截面上的应力才是均匀分布的。然而实际工程构件中,有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等,致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如开有圆孔和带有切口的板条,当其受轴向拉伸时,在圆孔和切口附近的局部区域内,应力的数值剧烈增加,而在离开这一区域稍远的地方,应力迅速降低而趋于均匀。这时,横截面上的应力不再均匀分布,这已为理论和实验证实。二、应力集中的应用1、现在许多食品都用塑料,商家将包装食品的塑料袋封口后,带的边缘处常做成锯齿形,或做出一个小缺口,在这些缺口和缝隙处撕塑料袋时,在缺口和缝隙的根部会由于应力集中产生很大的应力,因此稍一用力就可以把塑料袋沿缺口或缝隙撕开,如果塑料袋没有这样的缺口或切缝,要打开塑料袋,则多半要借用剪刀了。2、应力集中在生活中的其他应用划玻璃时先将玻璃置于一平整的、牢固的、有毛毡的台面上,沿将要下刀线路擦煤油,然后沿尺子将玻璃刀立直吃上劲儿一刀到头,再在刀划过处擦煤油,用刀沿刀痕均匀的从头至尾敲击玻璃。将玻璃划痕紧贴于台面边缘,用力一掰即可齐齐扳断;撕布时先剪一小口,顺着这个小口轴线方向进行用力撕扯,就容易撕开;易拉罐开启部分的设计等等。三、应力集中的避免1、为什么发动机的汽缸体出现裂缝后,可用环氧树脂等粘接剂粘合?而且在粘合前,先在裂缝的两端钻一个小孔?一般地说,杆件外形的骤变越是剧烈(及相邻截面的强度差越大),应力集中的程度越是严重。同时,应力集中是一种局部的应力骤增现象,如图1中具有小圆孔的均匀受拉平板,在孔边外最大应力约为平均应力的3倍,而据空稍远处,应力及趋于均匀。而且,应力集中处不仅最大应力急剧增长,其应力状态也与无应力集中是不同。假设在有一块长纸条,打出一小圆孔和切出一横向裂痕很明显在相同的受力情况下,裂痕先断裂,现在以裂痕两端为直径两端划与一号圆等大的圆表示两个相同的区域,与一号圆相比二号圆的受力主要区别于裂痕两侧的受力,由于缺失一部分分子对裂痕的加大受力,使裂痕变得更加不稳定,相比之下圆则比较稳定。因此工程师发现裂纹后,会现在裂纹的尖端打一个小孔,这样就大大的降低了裂纹两端的应力集中系数,阻止了裂纹的扩展,延长了发动机的使用寿命。2、自行车内胎被刺破后,可用橡胶补块粘补。补块一般剪成圆形或椭圆形,而非正方形,且补块的边缘剪成斜茬形(见图),下面(与内胎粘合面)宽,逐渐向上变窄。补块的边缘剪成斜茬形是整个内胎平滑降低应力集中应数,避免在运动中由于应力集中避免补快脱落的情况。3、实际工程中圆滑的角避免应力集中在制作各种拉力工具时,拉脚的拐弯处应设圆角,这并不是为了美观,这是为了避免应力集中。应力集中指由于受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起的局部范围内内应力显著增大的现象。应力集中会造成构件的断裂。圆角的大小应根据工具的外形尺寸决定,太大影响工具的效应,太小工具容易断裂损坏。对于常用的较小拉制工具,圆角半径在2-3毫米为佳,较大在5毫米左右。对于特殊形状的工具根据实际情况确定。但或大或小必须留圆角。四、总结:应力集中现象在生活中有利也有弊,为实现应力集中的利用与避免,可通过相应实验及计算选择合适的材料。为避免应力集中造成构件破坏,可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等措施,避免形状突变,尽可能开圆孔或椭圆孔;根据孔边应力集中的分析成果进行孔边局部加强;另外还可对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理,以提高材料表面的疲劳强度。为增大集中应力,可采对材料外形及加工方式加工部位进行合理地机械设计,通过相应实验及计算选择合适的材料,从而实现应力集中的利用与避免。参考文献:1、《设计中的应力集中系数》作者:R.E.彼德逊2、《材料力学》作者:刘鸿文出版社:北京高等教育出版社3、《应力集中的“善”与“恶”--------漫谈应力集中的利用和防治》作者:张义同(天津大学系,谢宇新天津300072)[D]4、《设计中的应力集中系数》作者:R.E.彼德逊出版社:中国工业出版社出版时间:1965年05月北京第1版5、《建筑钢结构进展》作者:澳门大学土木及环境工程系中国澳门(郭伟明);香港理工大学土木及结构工程系中国香港(滕锦光;钟国辉)出版时间:2007-03
本文标题:应力集中的应用与避免
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