应力集中的概念及其避免措施

1、应力集中的概念及其避免措施现今社会，由于应力集中造成构件断裂，产生疲劳，对结构安全危害大。了 解应力集中，并找出其避免措施，对人们的生活具有重大的意义。首先，先让我们了解一下应力与应力集中的概念，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。=F/S （其中，。表示应力； Fj表 示在j方向的施力； Ai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。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

2、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

3、均匀分布，这已为理论和实验证实。02-31Wfl| 2-31B所示的带国毛的板条,使其承受釉向粒伸.由觥结果可加!在圆孔 州近的同参区域内.应力蠢顶|赠大，巾框岛吁达一区域常证妃腾力4思找小而捋中均匀 （图2 31W）.这种由于#WB尺寸突霸受娜引起的府力局部增大的现象牌为成力您中，/I I I Ol碰最大力皿的平的问力b 出 用衣fca=圣R - 1?)再为理对府力堡中靓.它一映孑疥力蛰中的催应.昆 个灯1的扇我*而目试骋 IIOVI :藏商尺寸改攵原携L胸力坦巾麻歌就意大.因此.零件.卜摭切漏琵也船尖 ）的扎曲队 的牌外微n的晚枣钿排威泣涯IAP IffK I IB02-32在静荷载作用下

4、，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。像低碳钢那样 的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首 先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服 的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐 渐趋于平均，如图2-32所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静载荷作用下 可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服， 当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制 作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静 载荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承

5、载能力的影响。然而，对于组织不 均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中 的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对于构件 的承载能力不一定会造成明显的问题。下面，就应力集中造成构件断裂，产生疲劳，举几个实例。1、日本航空123号班机空难事件，发生于1985年8月12日，班机是 波音747-100SR型，飞机编号JA8119。搭载509名乘客及15名机组员，从日本 东京的羽田机场，预定飞往大阪伊丹机场。在御巢鹰山区附近的高天原山（距离 东京约100公里）坠毁，520人罹难。此次空难事件也是世界上牵涉到单一架次 飞机的空难中，死伤最惨重的。事故

6、原因：日本官方的航空与铁道事故调查委员 会，经过调查后，做出三点结论。1.1978年6月2日，该飞机在大阪的伊丹机 场曾损伤到机尾；2.机尾受损后，波音公司没有妥善修补，正常需要二排铆钉， 但维修人员只是将损伤的部分补了一排铆钉，所以增加了接合点附近金属蒙皮所承受的剪力，使该处累积了金属疲劳的现象;3.该处的压力壁在损坏后，造成四 组液压系统故障（液压油泄漏），导致机师无法正常操控飞机。2、2004年日本美浜核电站事故。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还 是导致5名工人死亡，数十人受伤。美浜核电站座落于东京西部大约320公里的 福井县，1976年投入运营，1991年至2003年曾发生过几次与核有

7、关的小事故。 2004年8月9日，涡轮所在建筑内连接3号反应堆的水管在工人们准备进行例 行安全检查时突然爆裂。虽然并未导致核泄漏，但蒸汽爆发还是导致5名工人死 亡，数十人受伤。2006年，美浜核电站又发生火灾，导致两名工人死亡。事故 原因主要是蒸汽发生器内细管的金属疲劳。3、1998年德国ICE城际列车脱轨事件。1998年6月3日，由慕尼黑开往汉保的 德国ICE884次高速列车在运行至距汉诺威东北方向附近的小镇埃舍德时，发生 了第二次世界大战后德国最为惨重的列车脱轨行车事故。该列车由两辆机车和 12辆拖车组成，事故发生后12辆拖车全部脱轨。截止到6月17日，已有100 人死亡，88人重伤。6月

8、17日，联邦铁路局局长在德国听证会上公布了对事故发生过程的初步调查 结果：在列车运行距公路跨线桥约6公里时，第一节拖车的3轮对的轮箍发生破 裂，列车继续以200公里/小时的速度运行，轮箍断裂并拥塞在高速动轮的轮对 中，剧烈的摩擦发出刺耳的轰隆声，在距公路桥约300公里处，已断裂的轮箍勾 住了埃舍德车站的一组道岔，使拖车挑起、脱轨并与机车脱钩，脱轨的车轮则落 在相邻的线路上，列车继续运行120米后，脱轨的车轮被邻线的另一组道岔改变 了方向，突然猛烈地甩向右侧，第3节拖车尾部与桥墩猛烈冲撞，使跨线桥部分 坍塌坠落。驰过跨线桥的头部机车经紧急制动后运行约2公里停车，没有脱轨； 与头车分离的第1-3节

9、拖车脱轨后停在桥后约300米处；第4-5节拖车被坍塌的 桥梁砸毁，后部第6-12节拖车以最大的惯性冲撞挤压在一起，尾部机车几乎未 受损坏。该列车车轮系橡胶弹性车轮，轮箍是轧制的无缝钢圈，通过热效应压在 轮心上，轮心是铸钢轮体，轮箍与轮心间有一层橡胶体。轮箍轧制时若残留气泡 或矿碴，在高压负荷动力作用下，就可能开裂；也可能是由于轮箍材料老化产生 “疲劳断裂”所致。事故发生后，其余59列ICE型列车中止运营，并进行了全 面检查。44列ICE2列车的运营虽未受事故影响，但最高时速已降低到160公里。以上例子都足以说明了应力集中引起构件疲劳、断裂，造成的危害是非常 严重的，甚至影响着人们的生活安全。是

10、个不容忽视的问题。最后，让我们讨论一下现实中避免应力集中的一些方法。1、包装结构设计中，应力集中避免与利用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；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。用ANSYS模拟钢筋混凝土梁两点对称加载，集 中荷载如何布置才能避免应力集中造成混凝土过早破坏！在加载点加一个垫块。 通过等效线荷载施加好像值得试试，不过线荷载分布长度不宜太大！曲线预应力 筋作用按照等效荷载作用替代，端头轴力按照实际锚具承压端板大小划分一个面， 在此面作用轴压力，可以解决集中力过大问题。北京奥运会体育

11、场游泳馆的幕 墙ETFE膜结构幕墙设计要点(4)关键节点的设计，以避免应力集中；摘 要： 探讨加权组合预测方法在应力集中问题中的应用，以带小孔的拉板为例，对采样 点的数据分别建立GM(1,1)模型、趋势曲线预测模型和最优加权组合预测模型, 并对各模型的误差和进行比较.结果表明，组合预测模型的拟合和预测精度比单 个模型要高.因此，用最优加权组合预测模型来推求应力集中区的最大应力，是工 程测试数据处理的一种比较实用的新方法.边界元法在舱口角隅应力集中问题中 的应用灰色系统模型及其在应力集中问题中应用在工程结构的凹角、缺口、沟槽、 孔洞附近均会发生应力集中，其中孔洞附近的应力局部增高称为孔边应力集中。 在水利工程中，大坝的坝踵附近以及坝内廊道附近的应力局部增高是应力集中的 典型实例。由于应力集中能使结构发生裂纹，甚至断裂，须采取措施，防止因应力集中 而造成的结构损坏，主要措施有：改善结构外形，避免形状突变，尽可能开圆 孔或椭圆孔；结构内必须开孔时，尽量避开高应力区，而在低应力区开孔； 根据孔边应力集中的分析成果进行孔边局部加强。2、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