應(yīng)力集中在生活中的應(yīng)用和避免

王璽

【摘要】：應(yīng)力集中影響材料及構(gòu)件性能的主要因素之一，在生活和制造業(yè)中有廣泛的應(yīng)用和研究。文章就應(yīng)力集中的概念描述，程度描述，影響因素，及其在生活中的應(yīng)用與避免做了闡述。

【關(guān)鍵詞】：應(yīng)力 應(yīng)力集中 應(yīng)力集中系數(shù) 影響因素 應(yīng)用與避免

一、應(yīng)力和應(yīng)力集中：

應(yīng)力：物體由于外因（受力、濕度、溫度場(chǎng)變化等）而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力是矢量，沿截面反向的分量稱為正應(yīng)力，沿切向的分量稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。

應(yīng)力集中：因物體外形突然變化而引起的局部應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象。

二、應(yīng)力集中程度描述：

應(yīng)力集中系數(shù)K=σmax/σ凈截面上的平均應(yīng)力

應(yīng)力集中系數(shù)反映物體在靜載荷作用下應(yīng)力集中的程度，它只是一個(gè)應(yīng)力比值，與材料無關(guān)，而與材料表面形狀有關(guān)。把棱角改為過度圓角，適當(dāng)增大過渡圓弧的半徑，可以避免或減少應(yīng)力集中。

三、影響因素：

截面尺寸改變?cè)絼×?，?yīng)力集中系數(shù)越大。因此，日常用品上應(yīng)盡量避免帶尖角的孔或槽，在每個(gè)部件之間要用圓弧過渡。應(yīng)力集中不僅與物體直接受到的外力有關(guān)，也與外界應(yīng)用環(huán)境也存在不可忽略的關(guān)系（如溫度因素），在溫度變化較快的季度時(shí)，有些玻璃會(huì)自行破裂，就是因?yàn)闊崦浝淇s導(dǎo)致應(yīng)力集中。

四、應(yīng)用：

車窗鋼化琉璃被石子打出一個(gè)小裂紋，如果不管它就會(huì)越裂越大。如果把裂開處打一個(gè)圓孔，這個(gè)圓孔降低了應(yīng)力集中系數(shù)，可以有效地防止裂紋變大。

相反，如果我們需要打碎琉璃，比如從汽車中逃生。就可以用尖銳的物體敲打它，使用該部門產(chǎn)成變銳的截面，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

五、如何避免：

1.避免尖角：即把棱角改為過度圓角，適當(dāng)增大過渡圓弧的半徑，效果更好;

2.改善零件外形;曲率半徑逐步變化的外形有利于降低應(yīng)力集中系數(shù)，比較理想的辦法是，采用流線型型線或雙曲率型線;

3.孔邊局部加強(qiáng)：在孔邊采用加強(qiáng)環(huán)或作局部加厚均可使應(yīng)力集中系數(shù)下降，下降程度與孔的形狀和大小、加強(qiáng)環(huán)的形狀和大小以及載荷形式有關(guān);

4.適當(dāng)選擇開孔位置和方向：開孔的位置應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū)，并應(yīng)避免因孔間相互影響而造成應(yīng)力集中系數(shù)增高，對(duì)于橢圓孔，應(yīng)使其長(zhǎng)軸平行于外力的方向，這樣可降低峰值應(yīng)力;

總結(jié)：

應(yīng)力集中現(xiàn)象在生活中有利也有弊，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中的利用與避免。通過相應(yīng)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算選擇合適的材料，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，為增大集中應(yīng)力，可采對(duì)材料外形及加工方式加工部位進(jìn)行合理地機(jī)械設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】《材料力學(xué)1》 作者：鴻洪文 出版社：高等教育出版社

【2】《應(yīng)力集中》[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 ， （日）西田正孝著， 1986

【3】《應(yīng)力集中的“善”與“惡”------漫談應(yīng)力集中的利用和防治》 作者：張義同、謝宇新（天津大學(xué)，力學(xué)系）